développement de cellules photovoltaïques à

N° d‟ordre 2009ISAL0084 Ecole Doctorale Matériaux de Lyon, Année 2009

THÈSE

Présentée devant

L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Pour obtenir le grade de

Docteur en Science des Matériaux

Par

Thibaut DESRUES

Développement de cellules photovoltaïques

à hétérojonctions silicium et contacts

en face arrière

Soutenue le 30/11/2009 devant la Commission d‟examen constituée de :

MASSINES Françoise

ALCUBILLA Ramon

KLEIDER Jean-Paul

ROCA i CABARROCAS Pere

LEMITI Mustapha

RIBEYRON Pierre-Jean

Rapporteur

Rapporteur

Examinateur

Examinateur

Directeur

Encadrant

Cette thèse a été préparée à l‟Institut National de l‟Énergie Solaire (INES), au sein du

Laboratoire des Composants Solaires (LCS / DTS / Liten / CEA Grenoble).

Adresse du laboratoire :

INES - DTS/LCS

50 Avenue du Lac Léman- BP 332

73370 Le Bourget du Lac

FRANCE

INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales

SIGLE

ECOLE DOCTORALE

NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE

CHIMIE

CHIMIE DE LYON

M. Jean Marc LANCELIN

Insa : R. GOURDON

M. Jean Marc LANCELIN

Université Claude Bernard Lyon 1 Bât CPE

43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 13 95 Fax :

[email protected]

E.E.A.

ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,

AUTOMATIQUE

M. Alain NICOLAS

Insa : D. BARBIER Secrétariat : M. LABOUNE

M. Alain NICOLAS

Ecole Centrale de Lyon Bâtiment H9

36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17

[email protected]

E2M2

EVOLUTION, ECOSYSTEME,

MICROBIOLOGIE, MODELISATION

http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2

M. Jean-Pierre FLANDROIS Insa : H. CHARLES

M. Jean-Pierre FLANDROIS

CNRS UMR 5558

Université Claude Bernard Lyon 1 Bât G. Mendel

43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex

Tél : 04.26 23 59 50 Fax 04 26 23 59 49 06 07 53 89 13

[email protected]

EDIIS

INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR

LA SOCIETE http://ediis.univ-lyon1.fr

M. Alain MILLE Secrétariat : I. BUISSON

M. Alain MILLE

Université Claude Bernard Lyon 1 LIRIS – EDIIS Bâtiment Nautibus

43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex

Tél : 04.72. 44 82 94 Fax 04 72 44 80 53 [email protected] - [email protected]

EDISS

INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE

Sec : Safia Boudjema

M. Didier REVEL Insa : M. LAGARDE

M. Didier REVEL Hôpital Cardiologique de Lyon – Bâtiment Central

28 Avenue Doyen Lépine 69500 BRON

Tél : 04.72.68 49 09 Fax : 04 72 35 49 16 [email protected]

Matériaux

MATERIAUX DE LYON

M. Jean Marc PELLETIER

Secrétariat : C. BERNAVON

M. Jean Marc PELLETIER

INSA de Lyon - MATEIS

Bâtiment Blaise Pascal 7 avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cédex

Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28

[email protected]

Math IF

MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE FONDAMENTALE

M. Pascal KOIRAN

Insa : G. BAYADA

M.Pascal KOIRAN Ecole Normale Supérieure de Lyon

46 allée d‟Italie 69364 LYON Cédex 07

Tél : 04.72.72 84 81 Fax : 04 72 72 89 69 [email protected]

Secrétariat : Fatine Latif - [email protected]

MEGA

MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE

CIVIL, ACOUSTIQUE

M. Jean Louis GUYADER

Secrétariat : M. LABOUNE

M. Jean Louis GUYADER

INSA de Lyon - Laboratoire de Vibrations et Acoustique

Bâtiment Antoine de Saint Exupéry

25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex

Tél : 04.72.18.71.70 Fax : 04 72 18 87 12

[email protected]

ScSo

ScSo (Histoire, Geographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique,

Sociologie, Anthropologie)

M. BRAVARD Jean Paul

Insa : J.Y. TOUSSAINT

M. BRAVARD Jean Paul Université Lyon 2

86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07

Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48 [email protected]

Remerciements

Mustapha Lemiti me guide depuis 6 ans déjà dans le monde du photovoltaïque. Il a su

m‟accompagner, d‟abord durant mes années de formation, puis ensuite pour cette thèse qu‟il a

dirigée. Son appui a été important pour moi, particulièrement dans les périodes de doutes. Je

le remercie de m‟avoir donné le « virus » du photovoltaïque, dont je ne suis pas prêt de

guérir…

Cette thèse existe avant tout grâce à Pierre-Jean Ribeyron. Assez rapidement, il a su

me confier beaucoup de responsabilités dans l‟organisation et la présentation de mes travaux.

C‟est grâce à cette confiance que j‟ai pu, pendant ces trois années, m‟épanouir autant au

niveau professionnel. Je tiens également à le remercier pour avoir quelquefois partagé avec

moi sa vision du monde, empreinte d‟une certaine sagesse.

Jean-Paul Garandet, puis Dick Heslinga ont successivement dirigé le LCS, où se

déroulait la thèse. Merci à eux pour avoir encouragé mes travaux, et pour avoir suivi leur

avancement avec intérêt.

Merci à l‟ADEME pour avoir financé en partie cette thèse, ainsi qu‟à André Claverie

et Yvonnick DURAND qui ont accompagné son évolution.

Françoise Massines et Ramon Alcubilla me font l‟honneur d‟être membre du jury. Je

les remercie également pour leur travail de rapporteur.

J‟ai eu la chance de rencontrer Jean-paul Kleider et Pere Roca i Cabarrocas dans le

cadre de projets de recherche et de conférences. Chaque discussion avec eux se révèle

fructueuse. Je tiens à les remercier pour tous leurs conseils et pour avoir accepté d‟être

membre du jury.

Ma progression dans le monde du photovoltaïque est basée sur des relations

privilégiées avec mes différents « tuteurs » successifs. D‟abord Jean-François Lelièvre et

Erwann Fourmond de l‟INL, puis (surtout) Yannick Veschetti au LCS. Ce fut un réel plaisir

de travailler et apprendre autant avec eux. Je dois ajouter également Sébastien Dubois, qui,

bien que ne m‟ayant pas encadré, a su répondre à un grand nombre de mes questions. Merci

pour leur grande patience, leur disponibilité, et leur pédagogie.

Pendant ces trois années, j‟ai travaillé au sein d‟une équipe qui s‟est agrandie petit à

petit. Au sein de la HET-Team, je tiens à remercier tout particulièrement Aurélie

Vandenheynde, qui a consacré tout son temps et son énergie à faire avancer nos travaux

pendant les derniers mois de la thèse. Merci à Florent Souche, Anne-Sophie Ozanne et

Christine Denis, qui m‟ont également beaucoup aidés. Je n‟oublie pas Delfina Muðoz, ma

correctrice numéro un et néanmoins prof de yoga! Merci pour sa gentillesse et sa générosité.

Remerciements

Merci également à Anthony Favier, qui a tout tenté pour me faire reprendre le skateboard,

avec un succés limité jusqu‟à maintenant…

D‟autres collègues du labo ont fait avancer, de près ou de loin, ces travaux de thèse. Je

remercie Marc « Gyver » Pirot, Nicolas Enjalbert, Rémi Monna, Isabelle Chevalier, Armand

Bettinelli et Bruno Rémiat pour leurs nombreux coups de mains et conseils. Merci également

à Claude Jaussaud pour ses questions théoriques et Vincent Sanzone pour sa passion du débat.

Je tiens à remercier Djicknoum Diouf, Philippe Thony, Alexandre Ferron et Mathieu

Baudrit pour leur implication, à différents niveaux, dans nos études de simulation.

Au début de la thèse, une partie importante de la fabrication des cellules avait lieu au

LPICM. Merci à David Éon, puis Martin Labrune, pour leur collaboration et pour nous avoir

permis de commencer rapidement nos travaux.

Les quelques manips effectuées au CIME m‟ont permis d‟avancer rapidement de

manière autonome. Je tiens à remercier Delphine Constantin, pour m‟y avoir accueilli.

J‟ai eu souvent l‟occasion de collaborer avec l‟INL. Je remercie Anne Kaminski et

Caroline Boulord pour leur implication dans certains aspects de nos travaux. Merci également

à Barbara Bazer-Bachi, avec qui c‟est un plaisir de se poser des questions, puis d‟y répondre!

Je tiens particulièrement à remercier tous les « Précaires » avec qui j‟ai pu partager

mon bureau: Johann Jourdan, Hakim Marko, Mickaël Lozac‟h, Pierre Saint-Cast, Nicolas

Sassiat, Raphaël Cabal, Thomas Schütz-Kuschly, et Jordi Veirman. J‟ai apprécié discuter et

avancer avec eux, dans une ambiance de solidarité qu‟on aimerait retrouver partout.

Même si on passe une (trop) grande partie de sa vie au boulot, il reste encore beaucoup

de temps pour faire autre chose. À Grenoble, j‟ai eu la chance de cotoyer des personnes

extraordinaires: Lucile, Julien, Daphné, Jennifer, Christelle, Mamé, Cédric, Émilie et Jojo. Je

veux les remercier pour tous les bons moments qu‟on a passés ensemble. Merci tout

particulièrement à Jen pour sa douceur, sa patience et ses encouragements. J‟ai eu la chance

de retrouver des colocataires de luxe au Bourget : merci à Florian, Romain et Thomas de se

battre pour faire la vaisselle (et ce n‟est pas du second degré).

Je n‟oublie pas mes amis de Rouen, Lyon et Arêches, que je retrouve à chaque fois

avec joie. La place manquant ici pour tous les nommer, je leur adresse un grand merci

collectif pour les nombreux week end festifs et autres randonnées passés en leur compagnie.

Et pour finir, merci à mes parents, à mon frère et Manouche, ainsi qu‟à ma soeur pour leur

soutien inébranlable depuis toutes ces années. Déjà un quart de siècle qu‟ils me supportent…

dans tous les sens du terme!

- 1 -

TABLE DES MATIÈRES

INTRODUCTION - 5 -

ETAT DE L’ART - 11 -

1. Bases sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques en silicium cristallin - 11 - 1.1 Nature du rayonnement solaire - 11 -

1.1.1 Spectre solaire - 11 - 1.1.2 Dualité de la lumière - 12 -

1.2 Effet photoélectrique et production d‟énergie - 13 - 1.2.1 L’effet photoélectrique - 13 - 1.2.2 La diode p/n: base du dispositif photovoltaïque - 14 - 1.2.3 Production d’énergie par un dispositif photovoltaïque - 16 -

1.3 Limites intrinsèques à la conversion photovoltaïque - 18 - 1.3.1 Absorption du rayonnement - 18 - 1.3.2 Recombinaisons intrinsèques (radiatives et Auger) - 19 - 1.3.3 Facteur de forme - 20 - 1.3.4 Rendement maximal théorique d’une cellule c-Si - 20 -

1.4 Limites technologiques à la conversion photovoltaïque - 20 - 1.4.1 Pertes optiques et résistives - 21 - 1.4.2 Recombinaisons volumiques Shockley-Read-Hall (SRH) - 21 - 1.4.3 Recombinaisons surfaciques et au contact - 22 -

2. La cellule photovoltaïque standard en silicium cristallin - 25 - 2.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard - 25 -

2.1.1 Texturation et Couche Anti-Reflet - 26 - 2.1.2 Champ de Surface Arrière - 27 -

2.2 La cellule standard optimisée: structure PERL - 28 -

2.3 Cellule standard à émetteur inversé - 30 -

3. Les cellules photovoltaïques industrielles en silicium cristallin à haut rendement - 31

- 3.1 Structures à contacts en face arrière - 31 -

3.2 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si - 34 - 3.2.1 Choix du type de substrat - 37 - 3.2.2 Nettoyage de surface - 39 - 3.2.3 Couches a-Si:H - 40 - 3.2.4 Oxyde Transparent Conducteur (OTC) et contacts - 42 - 3.2.5 Traitements thermiques - 43 - 3.2.6 Critères pour l’optimisation des cellules à hétérojonction silicium - 43 -

3.3 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si et contacts en face arrière - 44 -

Conclusions - 47 -

MATERIEL ET MÉTHODES EXPERIMENTALES - 49 -

1. Fabrication des cellules solaires à hétérojonctions silicium - 50 - 1.1 Dépôts de couches minces a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H - 50 -

1.2 Dépôts d‟ITO et contacts métalliques - 52 -

- 2 -

1.3 Grille de contact en face avant - 53 -

1.4 Découpe des cellules - 54 -

2. Méthodes de caractérisation - 55 - 2.1 Caractérisation des couches minces - 55 -

2.1.1 Propriétés de conduction - 55 - 2.1.2 Épaisseur: ellipsométrie - 56 - 2.1.3 Propriétés de passivation de surface: durée de vie effective - 58 - 2.1.4 Vitesse de recombinaison de surface, courant de saturation de l’émetteur - 60 - 2.1.5 Résistivité spécifique de contact (méthode TLM) - 62 - 2.1.6 Transmission, réflexion et absorption - 64 -

2.2 Caractérisation des cellules solaires - 65 - 2.2.1 Paramètres électriques de la cellule solaire - 65 - 2.2.2 Mesure SunsVoc - 67 - 2.2.3 Réponse spectrale et cartographie en photocourant - 67 -

3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions - 70 -

Conclusions - 72 -

CHAPITRE I : REALISATION ET OPTIMISATION DE L’EMETTEUR ET DES

CONTACTS OHMIQUES - 73 -

1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules à hétérojonctions silicium - 74 - 1.1 Films a-Si:H de type n - 76 -

1.1.1 Influence du flux de gaz dopant - 76 - 1.1.2 Influence de l’épaisseur - 77 -

1.2 Matériaux de contact électrique - 79 - 1.2.1 Mesure de la résistivité spécifique de contact - 79 - 1.2.2 Validation sur cellules à hétérojonction silicium standard - 80 -

2. Fabrication d’émetteurs pour cellules à hétérojonctions silicium - 83 - 2.1 Films a-Si:H de type p - 84 -

2.1.1 Influence du flux de gaz dopant - 84 - 2.1.2 Influence de l’épaisseur - 87 -

2.2 Matériaux de contact électrique - 88 - 2.2.1 Influence du travail de sortie - 88 - 2.2.2 Influence de l’épaisseur d’a-Si:H - 90 -

Conclusions du Chapitre I - 92 -

CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA FACE AVANT - 93 -

1. Simple couche anti-reflet - 94 - 1.1 Films de a-SiNx:H - 94 -

1.2 Films de a-SiCx:H - 96 -

1.3 Films d‟ITO - 97 -

1.4 Comparaison des différents matériaux - 98 -

2. Couche anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de passivation - 100 - 2.1 Couche de a-Si:H mince de passivation - 100 -

2.1.1 Étude du a-Si:H intrinsèque - 100 - 2.1.2 Comparaison entre le a-Si:H intrinsèque et le a-Si:H dopé (n) - 102 - 2.1.3 Étude de l’empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n) - 104 - 2.1.4 Choix de la couche mince de passivation - 105 -

TABLE DES MATIÈRES

- 3 -

2.2 Caractérisation des couches anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de

passivation - 107 - 2.2.1 Influence du dépôt de la couche de confinement optique - 107 - 2.2.2 Pertes optiques - 108 -

Conclusions du Chapitre II - 110 -

CHAPITRE III : DETERMINATION D’UN PROCEDE DE LOCALISATION DES

EMPILEMENTS EN FACE ARRIÈRE - 111 -

1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H - 112 - 1.1 Description de la couche sacrificielle - 112 -

1.2 Procédé « LASER » - 113 -

1.3 Procédé « sérigraphie » - 114 -

1.4 Procédé « masques métalliques » - 114 -

2. Étude de la tolérance sur les alignements et comparaison des procédés de

localisation des couches de a-Si:H - 116 - 2.1 Influence de la tolérance entre les alignements - 116 -

2.2 Procédé « LASER » - 117 -

2.3 Procédé « sérigraphie » - 118 -


2.5 Comparaison des procédés de localisation des couches a-Si:H - 122 -

3. Procédés de localisation des métallisations - 124 - 3.1 Procédé « sérigraphie » - 126 -


Conclusions du Chapitre III - 129 -

CHAPITRE IV : FABRICATION ET OPTIMISATION DE DISPOSITIFS À

HÉTÉROJONCTIONS SILICIUM ET CONTACTS EN FACE ARRIÈRE - 131 -

1. Fabrication de dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière - 132 - 1.1 Géométrie des dispositifs - 132 -

1.2 Procédé de fabrication - 135 -

1.3 Caractérisation des précurseurs de cellule - 136 - 1.3.1 Mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d’injection - 136 - 1.3.2 Cartographies en durée de vie effective - 138 -

1.4 Métallisation des précurseurs de cellule - 139 -

1.5 Caractérisation des premiers dispositifs - 141 - 1.5.1 Paramètres électriques sous éclairement AM1.5 - 142 - 1.5.2 Caractérisation des pertes résistives - 143 - 1.5.3 Caractérisation des pertes en courant - 144 -

2. Optimisation des dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière -

147 - 2.1 Modélisation des dispositifs - 147 -

2.1.1 Influence du dopage et de la largeur du contact sur le champ de surface arrière - 147 - 2.1.2 Influence du dopage et de la largeur du contact sur l’émetteur - 148 -

2.2 Fabrication de cellules à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière

optimisées - 154 -

TABLE DES MATIÈRES

- 4 -

Conclusions du Chapitre IV - 156 -

CHAPITRE V : DISCUSSION SUR LES PARAMÈTRES LIMITANTS - 157 -

1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction silicium - 158 - 1.1 Couches a-Si:H - 158 -

1.2 Matériaux de contact - 159 -

2. Structure de la face avant - 161 - 2.1 Face avant réalisée à basse température (≤ 200°C) - 161 -

2.2 Face avant réalisée à haute température (≥ 200°C) - 162 -

3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication - 163 - 3.1 Contraintes expérimentales et optimisation de la géométrie - 163 -

3.2 Problématiques 3D - 165 - 3.2.1 Zones de busbar - 165 - 3.2.2 Recombinaisons sur les bords des cellules - 166 -

Conclusions du Chapitre V - 167 -

CONCLUSION GÉNÉRALE - 169 -

RÉFÉRENCES 173

PUBLICATIONS DE L’AUTEUR - 187 -

RESUME GENERAL 190

ABSTRACT 190

- 5 -

INTRODUCTION

Selon l‟Agence Internationale de l‟Énergie, entre 1973 et 2007, la consommation

énergétique mondiale a quasiment doublé, en passant de 5.4x104 à 9.6x10

4 TWh par an. Plus

de 15% de cette énergie est aujourd‟hui consommée sous forme d‟électricité, soit près de

1.6x104 TWh par an [IEA09]. L‟électricité est un vecteur d‟énergie invisible, inodore et

silencieux, mais qui se stocke difficilement. Son utilisation à grande échelle s‟est donc

développée sur un modèle centralisé, où les unités de productions sont reliées aux

consommateurs par un réseau. Au niveau mondial, plus de 80% de l‟électricité est produite à

partir de combustibles fossiles (67%) et fissiles (15%) non renouvelables. Au rythme de

consommation actuelle, les réserves prouvées de ces combustibles seront épuisées à l‟échelle

d‟une centaine d‟année [Jancovici08].

Au niveau environnemental, la production d‟électricité mondiale est responsable de

l‟émission de plus de 1x1010

tonnes de CO2 par an [Carma08] soit un tiers des émissions de

CO2 anthropogéniques [IEA09]. Or le CO2 est un gaz à effet de serre (GES) qui contribue

fortement au réchauffement climatique mondial, constaté depuis l‟ère industrielle.

L‟amenuisement des ressources non renouvelables, ainsi que l‟augmentation de la

température du globe, présentent de nombreux risques de tensions au niveau mondial. Afin de

faire face à ce problème, il est nécessaire d‟agir sur plusieurs points résumés par la démarche

Négawatt [Négawatt06]:

1. Favoriser la sobriété énergétique

2. Améliorer l‟efficacité énergétique

3. Développer les sources d‟énergies renouvelables.

Les énergies renouvelables (ENR) sont basées non plus sur l‟exploitation d‟un stock

(pétrole, gaz, charbon, uranium), mais sur celle d‟un flux (soleil, vent, eau). Parmi les

différentes ENR, l‟électricité photovoltaïque (PV) ne représente aujourd‟hui qu‟un infime

pourcentage de la production mondiale d‟électricité. Son potentiel est pourtant quasiment

infini au regard de l‟énergie envoyée annuellement par le soleil sur la Terre (7.5x108 TWh

[Lelièvre07]. A titre d‟exemple, il suffirait théoriquement d‟équiper tous les toits des USA de

modules PV pour fournir ¾ des besoins en électricité de ce pays [EF05].

Le principal frein au développement de l‟électricité photovoltaïque (PV) vient de son

coût encore trop élevé par rapport aux sources conventionnelles. Un kWh produit par un

système photovoltaïque coûte entre 20 et 40 centimes d‟euro, soit cinq à dix fois plus que son

équivalent non renouvelable [MEEDAT08]. En site isolé (non connecté à un réseau),

l‟électricité PV est en revanche compétitive et donc largement utilisée. De plus, le kWh

produit par un système PV génère 10 à 20 fois moins de GES que son équivalent produit à

l‟aide de charbon [Meier02] et ne génère pas de déchets radioactifs. C‟est pourquoi le PV fait

l‟objet d‟un soutien croissant de la part des pouvoirs publics de pays comme l‟Allemagne, le

INTRODUCTION

- 6 -

Japon et plus récemment l‟Espagne, les USA, et la France. Ces pays souhaitent voir une partie

grandissante de leur électricité produite par les ENR. Comme le montre la Figure 1, la

capacité de production d‟électricité par des modules PV a ainsi connu un très fort

développement depuis les années 2000.

Figure 1. Puissance photovoltaïque globale installée par région du monde [EPIA09]

Le mécanisme le plus utilisé pour soutenir la filière PV repose sur l‟obligation de

rachat de l‟électricité PV produite, à un prix fixé légalement. Les opérateurs énergétiques

doivent donc acheter l‟électricité PV à un tarif plus élevé que le tarif de vente. En général les

installations individuelles bénéficient d‟un tarif de rachat supérieur à celui des centrales

solaires de forte capacité, aussi appelées « fermes » solaires.

Un système photovoltaïque comprend en général plusieurs modules PV constitués de

cellules interconnectées, ainsi qu‟un onduleur chargé de transformer le courant continu en

courant alternatif. Globalement, le module doit remplir plusieurs fonctions : connecter les

cellules entre elles de manière à fournir la tension voulue, les protéger contre l‟environnement

(érosion, humidité, grêle, sel, UV, etc.), et les protéger d‟éventuels dysfonctionnements

(échauffement, ombrage) par des diodes bypass. L‟efficacité du module PV est d‟abord

caractérisée par son rendement, c'est-à-dire l‟énergie qu‟il produit par rapport à l‟énergie

lumineuse incidente. Plus ce rendement est élevé, plus la surface occupée par les modules

pour produire une quantité fixée d‟électricité peut être réduite. Pour un module intégré au bâti

(toiture, façade), ce critère peut devenir important dans la mesure où la surface disponible est

limitée. Les modules sont également évalués par le rapport entre leur coût et leur puissance

INTRODUCTION

- 7 -

maximale, exprimé en Euro par Watt-crête (Wc). Il existe de nombreuses technologies de

modules PV qui diffèrent par les matériaux utilisés dans la fabrication des cellules et par les

technologies d‟interconnexion de ces cellules entre elles. Le Tableau 1 résume les

performances moyennes des principales filières au niveau des modules.

Tableau 1. Rendement moyen des modules PV commercialisés pour les différentes

technologies dominantes [EPIA09]

Technologie

Couches minces Silicium cristallin

(c-Si)

Silicium

amorphe

(a-Si)

Tellure de

Cadmium

(CdTe)

CI(G)S

Tandem (a-Si /

silicium

microcristallin)

Mono

c-Si

Multi

c-Si

Rendement

AM1.5 (%) 5-7 8-11 7-11 8 13-15 12-14

Surface par

kWc (m2)

15 11 10 12 7 8

La technologie dominant actuellement est celle des cellules à base de silicium

cristallin (c-Si). Elle existe depuis environ 50 ans et constitue actuellement plus de 80% des

ventes au niveau mondial [EPIA08]. Les cellules c-Si permettent d‟obtenir les meilleures

performances au niveau du module avec 13 à 15% de rendement en moyenne. De plus, leur

fiabilité est démontrée par la longévité d‟installations fonctionnant depuis plusieurs dizaines

d‟années. Cette technologie bien établie au niveau industriel est toutefois limitée par son coût

élevé. La répartition des différentes sources de coûts de l‟électricité produite au niveau d‟un

module PV à base de c-Si est donnée dans la Figure 2.

Figure 2. Répartition des coûts dans la fabrication d’un module PV utilisant des cellules

en c-Si [delCanizo09]

INTRODUCTION

- 8 -

Parmi les différentes possibilités permettant de diminuer le coût de l‟électricité PV, au

niveau du module, deux solutions technologiques sont particulièrement intéressantes :

1/ La diminution du coût du substrat c-Si.

Cette solution passe d‟abord par l‟utilisation de substrats plus minces, de l‟ordre d‟une

centaine de microns, au lieu des 200 µm actuels. En effet la diminution de 25% de l‟épaisseur

de la cellule permet une réduction de 10% du coût du module [delCanizo09]. D‟autre part, il

existe différents types de c-Si de qualité et donc de prix variables. Le silicium multi-cristallin

(mc-Si) de qualité solaire est moins cher que le mono-cristallin, et son utilisation est

synonyme de réduction du coût du matériau. En revanche, le rendement maximal atteint par

des cellules mc-Si est inférieur à celui obtenu sur monocristal (20.1% contre 25.0%

[Green09]) à cause de la qualité inférieure du substrat. Des solutions alternatives telles que le

transfert de couches [Kraiem06], ou la croissance de rubans [Schmidt02] permettraient

également de diminuer le coût du c-Si en limitant les pertes dues au sciage des lingots.

2/ L’augmentation du rendement des cellules

Le fait d‟utiliser des cellules plus efficaces dans les modules PV permet de diminuer le

coût du système complet. En effet, pour une même puissance produite, les frais de mise en

module et d‟installation sont alors réduits. Ainsi, une augmentation de 10% relatifs du

rendement des cellules entraîne 10% d‟économies sur le module [delCanizo09] et diminue

également le coût du système complet. De nombreuses recherches ont été menées depuis les

années 1980 pour améliorer le rendement des cellules PV c-Si vers leur limite théorique de

29% [Kerr02b]. Trois structures de cellule ont démontré leur potentiel pour atteindre les très

hauts rendements sur du c-Si monocristallin de bonne qualité :

La structure PERL (Passivated Emitter Rear Locally Diffused) a été

développée par l‟UNSW (University of New South Wales, Australie) sur le modèle de la

cellule standard à base de c-Si type p. Un rendement expérimental de 24.7% sur une cellule de

4 cm2 a pu être démontré en 1999 [Zhao99] (25.0% avec la nouvelle norme sur l‟éclairement

standard [Green09]). Cependant, la complexité du procédé de fabrication, avec plusieurs

étapes d‟alignement par photolithographie empêche son industrialisation. L‟entreprise

Suntech travaille en collaboration avec l‟UNSW afin d‟industrialiser des cellules s‟inspirant

de la structure PERL. Ces cellules, nommées PLUTO, atteignent des rendements proches de

19% [Shi09] sur leur ligne de production.

La structure à contacts interdigités en face arrière IBC (Interdigitated Back

Contacts) a d‟abord été développée à l‟échelle du laboratoire et sur surface réduite par

l‟Université de Stanford [Swanson85]. Cette structure utilise la technologie de contacts

localisés (Point-Contact) et nécessite plusieurs étapes d‟alignements par photolithographie.

SunPower Corp. a pu diminuer le nombre d‟alignements en simplifiant la structure puis

industrialiser sa production sur c-Si de type n sans étape de photolithographie [Mulligan04].

Des cellules de 148 cm2 avec un rendement moyen de 22.4% (max 23.4%) sont fabriquées sur

INTRODUCTION

- 9 -

leur ligne de production industrielle [DeCeuster07]. Ces excellents résultats ont été obtenus

grâce aux très faibles pertes optiques et résistives de cette structure. Ils sont toutefois encore

limités par des recombinaisons aux contacts et dans les zones dopées thermiquement

[Swanson05].

Un troisième type de cellules à haut rendement utilise l’hétérojonction

silicium (Si-HJ) entre le silicium amorphe hydrogéné a-Si:H et le silicium cristallin c-Si.

Cette structure, découverte par Fuhs et al en 1974 [Fuhs74], a été étudiée par Sanyo depuis les

années 1990. Son point fort réside dans l‟obtention de très faibles recombinaisons de surface

tout en utilisant un procédé entièrement à basse température (200°C). Au niveau R&D, le

meilleur rendement atteint est de 23.0% sur des cellules Sanyo de 100 cm2

[Sanyo09]. Les

cellules produites industriellement atteignent quant à elles quasiment 20% de rendement

[Taira07]. La structure des cellules HET implique cependant des pertes optiques limitant le

courant collecté. Ces pertes sont dues à l‟ombrage de la grille de contact ainsi qu‟à

l‟absorption d‟une partie du rayonnement dans les couches déposées.

La combinaison des deux dernières technologies a été évoquée pour la première fois

dans une demande de brevet d‟EBARA publiée en 2003 [Mishima03]. Cette structure à

hétérojonctions et contacts interdigités en face arrière (Si-HJ IBC) permettrait théoriquement

de réduire les pertes optiques et résistives dans la cellule, tout en limitant les recombinaisons

de surface. En 2005, R. M. Swanson de SunPower Corp a montré que le rendement potentiel

d‟une telle structure est supérieur à 25% [Swanson05]. De plus, l‟expérience de Sanyo et

Sunpower montre que ces deux technologies sont d‟ores et déjà validées séparément du point

de vue industriel.

Le fort potentiel des cellules Si-HJ IBC justifie notre étude visant à développer cette

structure sur c-Si de type n, principalement du point de vue expérimental mais également au

niveau de sa modélisation. Notre démarche consiste à séparer les différentes étapes de

fabrication en autant de sujets d‟étude.

Ainsi, ce travail commence par l‟étude d‟empilements (a-Si:H / matériau de contact)

permettant la réalisation d‟un champ arrière répulsif (Back Surface Field ou BSF) et d‟un

émetteur (Chapitre I). Pour cela, une évaluation des pertes résistives et des propriétés de

passivation des différents empilements a été menée, dans le but de les utiliser sur la structure

Si-HJ IBC.

La suite de l‟étude est consacrée à la détermination d‟une Couche Anti-Reflet (CAR)

adaptée à la face avant des cellules Si-HJ IBC (Chapitre II). Des objectifs en termes de

vitesse de recombinaison de surface et de transmission effective du rayonnement ont été

définis à cet effet. Un procédé de localisation des différents empilements est ensuite

sélectionné (Chapitre III), en évaluant sa rapidité d‟exécution et sa « propreté ». Ces

recherches ont mené au dépôt d‟une demande de brevet sur une technique de localisation par

masques métalliques [Bettinelli08].

INTRODUCTION

- 10 -

Le chapitre suivant aboutit à la fabrication et l‟optimisation de démonstrateurs de

cellules Si-HJ IBC sur une surface de 25 cm2

(Chapitre IV). Pour cela, nous avons utilisé les

empilements étudiés dans le chapitre I, la CAR déterminée dans le chapitre II et le procédé de

localisation sélectionné dans le Chapitre III. Ceci constitue une première mondiale et a fait

l‟objet d‟une publication à la 23e Conférence Européenne sur l‟Énergie Solaire

Photovoltaïque [Desrues08]. Le dernier chapitre permet une discussion sur les principales

limites théoriques et expérimentales des structures Si-HJ IBC (Chapitre V).

Les réalisations expérimentales ont été menées principalement au CEA (Commissariat

à l‟Énergie Atomique) de Grenoble puis au Bourget du Lac sur le site de l‟INES (Institut

National de l‟Énergie Solaire). Les modélisations ont été développées en collaboration avec le

LGEP (Laboratoire de Génie Électrique de Paris). La totalité de ce travail a été réalisé dans le

cadre du projet ANR QCPassi (Quantum Cutting and Passivation for Back-Contacted Hetero-

junction Solar Cells) et cofinancé par l‟ADEME (Agence de l‟Environnent et la Maîtrise de

l‟énergie) et le CEA.

- 11 -

ETAT DE L’ART

1. Bases sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques en

silicium cristallin

1.1 Nature du rayonnement solaire

1.1.1 Spectre solaire

Le soleil est constitué principalement de gaz, dont la fusion continue produit une

quantité d‟énergie phénoménale. La fusion des atomes d‟hydrogène en atomes d‟hélium

permet en effet d‟atteindre des températures de l‟ordre de 20 millions de degrés Kelvin

[Honsberg09]. Cette énergie se traduit par l‟émission d‟un rayonnement composé de

longueurs d‟ondes majoritairement comprises entre 0.2 μm et 3 μm. Hors atmosphère le

rayonnement émis par le soleil (AM0) est constitué de:

9% d’UV (0.1< λ <0,4 μm)

43% de visible (0.4< λ <0,75 μm)

48% d’infrarouges (0.75< λ <5 μm)

On représente le rayonnement par un spectre donnant l‟irradiance en fonction de la

longueur d‟onde (Figure 3). Pour le soleil, ce spectre est comparable à celui d‟un corps noir à

une température d‟environ 5800 K.

Figure 3. Spectre représentant l’irradiance solaire sur Terre (AM1.5G)

ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin

- 12 -

À la surface de la Terre, le spectre solaire n‟est plus le même que dans l‟espace, car il

est pondéré par l‟absorption des molécules présentes dans l‟atmosphère (O3, CO2, H2O, …).

Les conditions climatiques ainsi que la présence de particules influencent également la valeur

réelle du spectre. Pour pouvoir comparer les performances des cellules solaires et qualifier les

différents spectres solaires utilisés, la notion d‟Air-masse (AM), ou « masse atmosphérique »

a été créée. Sa valeur dépend de la pression, de l‟altitude et de l‟angle d‟incidence des rayons

lumineux. L‟intégration de l‟irradiance sur la totalité du spectre permet d‟obtenir la puissance

P (en W.m-2

) fournie par le rayonnement. Pour simplifier on utilise les notations suivantes :

AM0 : Hors atmosphère (applications spatiales). P ≈ 1.36 kW.m-2

AM1 : Le soleil est au zénith du lieu d‟observation (à l‟équateur).

AM1.5G : Spectre standard, le soleil est à 45°. P ≈ 1 kW.m-2

1.1.2 Dualité de la lumière

La lumière peut être considérée sous forme d‟ondes électromagnétiques de longueur

d‟onde λ ou sous forme de photons, corpuscules possédant une énergie E liée à λ par la

relation (1).

hchE (1)

Avec : h : Constante de Planck (J.s)

c : Vitesse de la lumière dans le vide (m.s-1

)

ν : Fréquence (s-1

)

λ : Longueur d‟onde (m)

La notion de dualité onde/corpuscule est importante pour comprendre les phénomènes

d‟interaction entre un rayonnement et un matériau. L‟absorption d‟un rayonnement dans un

matériau s‟explique en effet simplement par l‟échange d‟énergie entre les atomes du matériau

et les corpuscules de la lumière. Le coefficient d‟absorption (en m-1

) dépend de la longueur

d‟onde des photons incidents, ainsi que du coefficient d‟extinction k, selon la relation (2).

k4 (2)

En général les faibles longueurs d‟ondes (très énergétiques) sont donc plus facilement

absorbées. Cependant, le coefficient d‟extinction d‟un matériau varie également avec la

longueur d‟onde, ce qui peut faire varier cette tendance. Le phénomène d‟absorption est décrit

par la loi de Beer-Lambert (3).

)xexp(II 0 (3)


- 13 -

Avec : I0 : Intensité de la lumière incidente (W)

I : Intensité de la lumière sortante (W)

x : Longueur du trajet optique (m)

Les photons les plus énergétiques sont donc absorbés en quasi-totalité à proximité

immédiate de la surface éclairée. En revanche, une partie des photons moins énergétiques peut

traverser une partie du matériau, voire sa totalité, sans être absorbée.

1.2 Effet photoélectrique et production d’énergie

1.2.1 L’effet photoélectrique

Découvert par Becquerel en 1839, puis expliqué par Einstein au début du XXe siècle,

l‟effet photoélectrique (ou photovoltaïque) provoque, sur certains matériaux, l‟émission d‟une

petite quantité d‟électricité lorsqu‟ils sont exposés à la lumière. Pour cela, il faut d‟abord que

l‟énergie des photons incidents soit transmise à des porteurs de charge (électrons ou trous)

dans le matériau. L‟absorption des photons dans un matériau conducteur ou semi-conducteur

permet en effet la libération d‟une certaine quantité de porteurs libres. Ce mécanisme de

photogénération peut être représenté à l‟aide des états énergétiques des bandes de valence et

de conduction, séparées par un gap d‟énergies interdites (EG).

Dans les matériaux conducteurs, les charges libérées se recombinent quasi-

instantanément et peuvent difficilement être collectées. L‟usage de certains matériaux semi-

conducteurs permet la réduction de ces recombinaisons et l‟application de l‟effet

photovoltaïque à la production d‟électricité.

Un matériau semi-conducteur se caractérise par son énergie de gap EG entre la bande

de valence (BV) et la bande de conduction (BC). A l‟équilibre, les électrons possèdent une

énergie correspondant à des états situés dans la BV et sont dits « liés ». Un photon incident,

dont l‟énergie h est supérieure à l‟énergie de gap EG du matériau, peut permettre le passage

d‟un électron de la bande de valence à la bande de conduction. On considère alors que

l‟électron ayant rejoint la bande de conduction est excité, et qu‟il laisse un trou (équivalent à

une charge positive) dans la bande de valence. La paire électron/trou (e/h) créée forme un

exciton. Le transfert d‟énergie entre le photon incident et l‟électron de la BV respecte les lois

de conservation de l‟énergie et de la quantité de mouvement. Le vecteur d‟onde k des photons

a cependant une valeur beaucoup plus faible que celui des électrons. Les transitions

énergétiques de ceux-ci se font alors sans changement de vecteur d‟onde mais verticalement

dans l‟espace des k (Figure 4).


- 14 -

Figure 4. Transitions électroniques pour un gap direct et un gap indirect

Lorsque dans l‟espace des k, le minimum de la bande de conduction correspond au

maximum de la bande de valence, on parle de gap direct. Dans le cas du silicium cristallin (c-

Si) les photons très énergétiques (E ≥ 1.8eV) voient un gap direct. Pour des énergies plus

faibles, le gap est indirect car les transitions radiatives entre les extrema des bandes ne

peuvent se faire qu‟avec la participation d‟un phonon. Les phonons sont des vibrations du

réseau apportant ou absorbant la quantité de mouvement nécessaire. Les transitions faisant

appel aux phonons (gap indirect) sont donc moins probables que dans le cas d‟un gap direct.

L‟effet photoélectrique est donc plus ou moins important en fonction du matériau semi-

conducteur utilisé. De plus, pour extraire véritablement l‟énergie transmise du rayonnement à

la matière, un dispositif de collecte des charges photogénérées est nécessaire.

1.2.2 La diode p/n: base du dispositif photovoltaïque

La séparation des paires e-/h+ et la collecte des charges libres sont facilitées par la

présence d‟un champ électrique au sein du matériau. Les chercheurs des laboratoires Bell ont

utilisé pour la première fois en 1954 le champ électrique d‟une jonction (ou diode) n+/p dans

une cellule solaire [Chapin54]. Cette structure simple est constituée d‟une base en c-Si de

type p dopée n+ localement pour former l‟émetteur. La différence de concentration d‟électrons

entre la zone dopée n+ et celle de type p entraîne une tension de diffusion VD à la jonction des

deux zones de conductivité opposée. La tension de diffusion provoque un champ électrique

intrinsèque à la jonction, dans une zone appelée ZCE (Zone de Charge d‟Espace). À

l‟équilibre, cette zone désertée de porteurs libres est présente essentiellement dans la région la

moins dopée. Sa largeur varie en moyenne entre 0.1 et 1 micron en fonction du profil et du

niveau de dopage. On distingue alors, dans la diode p/n, deux zones : les zones neutres

(émetteur et base) où il ne règne aucun champ électrique, et la ZCE. À la jonction, le champ

électrique intrinsèque permet l‟accélération des porteurs minoritaires vers la zone où ils sont

majoritaires. Ainsi, les électrons de la base de type p sont accélérés vers la zone d‟émetteur

dopée n+.


- 15 -

Lorsque la base et l‟émetteur de la diode sont réalisés dans un seul matériau (même

EG), on parle d‟une homojonction p/n. La valeur de la tension de diffusion VD peut s‟exprimer

en fonction des densités de dopants dans l‟émetteur et la base du matériau semi-conducteur

par la relation (4). Si les densités de dopages étaient égales aux densités d‟états du matériau,

la tension de diffusion de la jonction serait égale à EG/q. Ce cas est limité par les

recombinaisons de porteurs et la diminution de la valeur de EG pour les matériaux très dopés

(Band Gap Narrowing ou BGN) [Sze81].

)NN

NNln(

q

E)

n

NNkTln(qV

VC

DAG

2

i

DAD

(4)

Avec : EG : Énergie de gap du matériau semi-conducteur (eV)

ND : Densité d‟impuretés de type donneur (cm-3

)

NA : Densité d‟impuretés de type accepteur (cm-3

)

NC : Densité d‟états dans la bande de conduction (cm-3

)

NV : Densité d‟états dans la bande de valence (cm-3

)

ni2 : Concentration de porteurs intrinsèques (cm

-6)

L‟équation (5) permet de modéliser la densité de courant fournie par une diode idéale

soumise à une rampe de tension. Cette caractéristique courant-tension (I-V, ou J-V pour la

densité de courant) est en effet particulièrement représentative de la qualité du dispositif. Ce

modèle utilise un facteur d‟idéalité (n) ainsi qu‟une densité de courant de saturation (J0) pour

décrire son fonctionnement.

)1)nkT

qV(exp(JJ 0obsc (5)

Avec : q : Charge élémentaire (C)

V : Tension aux bornes de la jonction (V)

k : Constante de Boltzmann (J.K-1

)

T : Température (K)

I0 : Courant de saturation de la diode (A)

n : Facteur d‟idéalité de la diode

La densité de courant de saturation de la diode (J0) représente le courant de fuite

franchissant la barrière VD. Il est d‟autant plus fort que les recombinaisons dans le matériau

et/ou en surface sont élevées. Le courant de saturation est dû aux différents phénomènes de

recombinaisons en surface et en volume du dispositif. Dans le cas où les défauts dans la base

de type p dominent, son expression analytique (6) dépend des mécanismes de recombinaisons

prépondérants.


- 16 -

n

n0

L

nqDJ (6)

La longueur de diffusion des porteurs minoritaires Ln dans la base de type p donne une

indication sur la qualité de celle-ci. Moins le matériau montre de défauts, plus la longueur de

diffusion est grande, et plus le J0 est faible. Le courant de saturation J0 dépend également de la

diffusivité Dn (cm2.s

-1) et de la densité n de porteurs minoritaires dans la base.

La qualité d‟un matériau peut également être exprimée par la durée de vie des porteurs

minoritaires (τ en s). En effet τ et la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans le

matériau sont liés par l‟équation (7).

2/1nn )D(L (7)

Un J0 de la diode élevé entraîne une augmentation plus rapide du courant direct avec la

tension. Une limite inférieure à la valeur de J0 (0.27 fA.cm-2

) peut être calculée en considérant

uniquement les recombinaisons radiatives intrinsèques au matériau. Cependant au niveau

expérimental des valeurs 100 à 1000 fois supérieures sont obtenues [Swanson05].

1.2.3 Production d’énergie par un dispositif photovoltaïque

L‟éclairement d‟une diode provoque l‟apparition d‟un courant de photogénération

dans le dispositif. Ce flux lumineux rompt l‟équilibre thermodynamique en changeant les

populations d‟électrons et de trous. A titre d‟exemple, un éclairement AM1.5 libère environ

1x1015

cm-3

porteurs de charge dans le silicium cristallin. En général l‟éclairement impacte

peu la densité de porteurs majoritaires, dans la mesure où celle-ci est supérieure à 1x1015

cm-3

dans un semi-conducteur dopé. En revanche, la population de porteurs minoritaires augmente

sensiblement avec l‟éclairement, provoquant ainsi l‟apparition d‟un courant inverse

proportionnel à l‟éclairement. Une diode sous éclairement voit ainsi sa caractéristique J-V

décalée par l‟apparition d‟une densité de courant inverse JPh dû aux porteurs photogénérés.

L‟équation de la diode sous éclairement (8) montre la compétition entre JPh (proportionnel à

l‟intensité du flux lumineux) et la densité de courant direct Jobsc qui dépend de la tension

appliquée et de la qualité du dispositif.

Phobsctéclairemen JJJ (8)

La caractéristique J-V d‟une diode sous éclairement (Figure 5) permet la

détermination des paramètres suivants :

Jcc : Densité de courant de court-circuit

Vco : Tension de circuit ouvert


- 17 -

Pmax : Puissance maximale débitée par la photodiode

Jmax : Densité de courant au point de puissance maximale

Vmax : Tension au point de puissance maximale

La puissance électrique produite par une diode sous éclairement est égale au produit

de l‟intensité délivrée et de la tension à ses bornes. Il faut ainsi adapter la charge aux bornes

du dispositif afin de le faire fonctionner au point de puissance maximale Pmax (Vmax, Imax).

Figure 5. Caractéristiques J-V et P-V sous éclairement

Le facteur de forme (FF) de la courbe J-V exprime la différence entre la puissance

réelle débitée par la cellule et sa puissance idéale égale au produit JccxVoc. Le FF est limité

dans la plupart des cas par des résistances parasites et son expression est donnée par la

relation (9).

ccco

maxmax

JV

JVFF (9)

On appelle rendement de conversion η le rapport de la puissance fournie par la cellule

sur la puissance incidente (l‟éclairement). Il s‟exprime selon l‟équation (10) en fonction des

paramètres extraits de la courbe J-V sous éclairement.

incidente

ccco

incidente

maxmax

incidente

max

P

FFJV

P

JV

P

P (10)


- 18 -

Les trois paramètres principaux caractérisant un dispositif PV sont donc sa Jcc, sa Vco

et son FF. La valeur de Jcc est influencée par la longueur de diffusion des porteurs mais

également par des facteurs optiques tels que l‟absorption et la réflexion du flux lumineux. Le

facteur de forme est limité dans la plupart des cas par des résistances et courts-circuits

parasites. La Vco est liée au rapport entre les densités de courant de court-circuit et de

saturation de la diode par la relation (11) [MacDonald01].

)J

Jln(

q

kTV

0

ccco (11)

1.3 Limites intrinsèques à la conversion photovoltaïque

1.3.1 Absorption du rayonnement

Le rayonnement solaire s‟étend sur un large spectre de longueurs d‟ondes (0.1 à 5 µm)

et une grande partie de son énergie n‟est pas exploitée par une cellule c-Si à simple jonction.

L‟énergie de gap EG du c-Si (1.12 eV) correspond à une longueur d‟onde de 1.1 µm. Si les

photons incidents ont une énergie inférieure à EG (longueur d‟onde supérieure à 1.1 µm), ils

ne peuvent pas générer de porteurs libres et traversent le matériau sans être absorbés. En

revanche, quand leur énergie est supérieure à EG, l‟excès d‟énergie est thermalisé et perdu

pour la conversion. La Figure 6 montre le spectre effectivement exploité par une cellule c-Si

par rapport au spectre solaire AM1.5. Avec un confinement optique idéal, la Jcc maximale

d‟une cellule c-Si peut atteindre 42.5 mA.cm-2

sous un éclairement AM1.5 [Swanson05].

Figure 6. Influence des différentes pertes dues aux mécanismes d’absorption dans le c-

Si. (1) Thermalisation des photons d’énergie supérieure à 1.12 eV; (2) Photons

d’énergie inférieure à 1.12 eV non absorbés [Lelièvre07]

1

2

1

2


- 19 -

1.3.2 Recombinaisons intrinsèques (radiatives et Auger)

Lorsqu‟un matériau semi-conducteur est soumis à une excitation (thermique,

lumineuse, …), son équilibre est rompu et des porteurs en excès apparaissent. Ces porteurs en

excès restent libres jusqu‟à ce qu‟ils perdent leur énergie, c'est-à-dire qu‟ils recombinent. La

durée de vie des porteurs (τ en s) dépend de la densité de porteurs en excès (Δn en cm-3

) et du

taux de recombinaison (U en s-1

.cm-3

) selon l‟équation (12).

U

n (12)

Différents phénomènes de recombinaison existent au sein d‟un semi-conducteur

comme le silicium cristallin. Certains comme les phénomènes Auger et radiatifs sont

intrinsèques au matériau, tandis que d‟autres dépendent plus de la qualité du matériau (voir

Etat de l‟art §1.4.2).

Dans un semi-conducteur à gap direct le mécanisme de recombinaison radiative

domine les autres phénomènes. C‟est l‟inverse de la création d‟une paire e/h par un photon :

un électron de la bande de conduction retourne dans la bande de valence en cédant de

l‟énergie sous forme lumineuse, en émettant un photon. L‟énergie du photon émis étant égale

ou proche de celle du gap, il pourra avec une faible probabilité être « recyclé » et créer une

nouvelle paire e/h. Pour un semi-conducteur à gap direct, les recombinaisons radiatives sont

importantes car elles se font sans la participation de phonons. En revanche pour un gap

indirect comme le c-Si, les recombinaisons radiatives sont peu probables. Dans ce cas

l‟électron doit émettre simultanément un photon et un phonon pour changer d‟état. Selon la

relation (13), le taux de recombinaisons radiatif (Urad) dépend d‟une constante B

caractéristique du matériau et sa valeur est faible pour le c-Si (1x10-14

cm3.s

-1)

[Schlangenotto74].

)nNn(BU Arad (13)

Le processus de recombinaison Auger (UAuger) est non radiatif et implique

l‟interaction de trois particules. L‟énergie libérée par la recombinaison d‟un électron de la

bande de conduction et un trou de la bande de valence est ici transférée à un autre porteur

libre (électron ou trou). Ce porteur thermalise ensuite cette énergie en revenant à un état

énergétique inférieur proche de la limite de bande. Ce mécanisme de recombinaison (plus

compliqué en réalité) est dominant à fort taux d‟injection et pour de fortes densités de dopants

[Dubois07]. Il peut être décrit par la relation (14) pour des faibles injections et dépend d‟un

coefficient Auger (CA en cm-6

.s-1

) différent selon le type de matériau considéré

[MacDonald01].


- 20 -

2AAAuger NnCU (14)

La tension de circuit ouvert maximale d‟un dispositif PV est en réalité limitée par les

mécanismes de recombinaison évoqués ci-dessus. Si l‟on considère que les surfaces de la

cellule ne provoquent aucun phénomène de recombinaison (cas idéal), la principale limitation

de la Vco provient du volume. La valeur maximale que l‟on pourrait atteindre dépend donc de

l‟épaisseur de la cellule, elle est de l‟ordre de 770 mV pour une cellule d‟une épaisseur de 100

µm [Tiedje84] et pourrait atteindre 800 mV en réduisant l‟épaisseur du substrat à 20 µm

[Green84].

1.3.3 Facteur de forme

Dans le cas idéal, la courbe J-V est rectangulaire. La puissance maximale produite par

la cellule sous éclairement est alors égale au produit Icc x Vco. En réalité, les caractéristiques

courant-tension suivent une forme exponentielle (équation de Boltzmann), ce qui limite la

puissance maximale au produit Im x Vm. Sous un soleil, le facteur de forme maximal théorique

d‟une cellule solaire en silicium cristallin à haut rendement est de 89% [Szlufcik97].

1.3.4 Rendement maximal théorique d’une cellule c-Si

Le rendement de conversion maximal théorique des cellules photovoltaïques peut être

déterminé par une approche thermodynamique tenant compte des différentes limitations

intrinsèques au dispositif. Schockley et Queisser ont ainsi calculé en 1961 le rendement

maximal théorique pour une cellule à simple jonction (EG = 1.1 eV), en considérant

uniquement les recombinaisons radiatives. Sous un éclairement AM1.5, ce rendement atteint

la valeur de 33% [Schockley61]. Tiedje et al ont ensuite amélioré le modèle en introduisant

une connexion entre l‟analyse thermodynamique et la modélisation du dispositif lui-même

(cellule en silicium cristallin). En tenant compte de l‟effet de l‟épaisseur du substrat et des

recombinaisons non radiatives (Auger), le rendement maximal est alors de 29.8% [Tiedge84].

En 2002, Kerr et al ont apporté des modifications à ce calcul en améliorant la modélisation

des phénomènes de recombinaisons Auger et en introduisant le « recyclage des photons »

pour les recombinaisons radiatives. À l‟aide de ces améliorations, un rendement maximal

théorique de 29.05% a été calculé pour une épaisseur de substrat optimale de 90 µm

[Kerr02b].

1.4 Limites technologiques à la conversion photovoltaïque

On a vu dans la partie précédente que le rendement maximal théorique pour une

cellule en silicium cristallin peut atteindre des valeurs supérieures à 29%. La différence entre

ce rendement et ceux obtenus expérimentalement est due à des pertes technologiques, c'est-à-


- 21 -

dire qui sont potentiellement évitables par l‟utilisation de technologies adaptées. Une cellule

photovoltaïque doit être conçue de manière à limiter ces pertes technologiques à l‟aide de

procédés peu coûteux. Les pertes les plus importantes proviennent de facteurs optiques et

résistifs, mais aussi des recombinaisons volumiques et surfaciques.

1.4.1 Pertes optiques et résistives

Les pertes optiques d‟une cellule solaire provoquent une chute de la densité de courant

produite par le dispositif. En effet, le courant fourni dépend directement de la quantité de

lumière absorbée dans la cellule. La première source de perte optique est due aux phénomènes

de réflexion du rayonnement incident sur la face avant. En effet, pour un substrat c-Si poli,

plus de 30 % de la lumière est réfléchie en face avant, provoquant une chute du même ordre

du courant photogénéré [Lelièvre07]. Dans le cas de substrats minces (inférieurs à 200 µm),

une partie du rayonnement infrarouge peut traverser la base sans être absorbée. La réflectivité

interne au niveau de la face arrière joue dans ce cas également un rôle particulièrement

important [Kray08]. Une réflectivité effective de 2% en face avant alliée à une réflectivité

interne de 90% en face arrière permet théoriquement d‟obtenir une densité de courant de

court-circuit de 41.1 mA/cm-2

[Swanson05]. Un autre facteur de pertes optiques est provoqué

par le contact sur l‟émetteur, réalisé en face avant sur la plupart des structures de cellules

photovoltaïques. Ces métallisations de contact sont opaques et provoquent un ombrage du

rayonnement incident, proportionnel à la surface de l‟électrode.

En ce qui concerne les pertes résistives, les possibilités d‟améliorations dépendent

fortement de la structure de cellule utilisée. Des phénomènes de résistance série peuvent

provenir de conductivités insuffisantes dans le c-Si [Granek07], dans les métallisations, ainsi

qu‟au contact métal / c-Si [Schröder84]. Un second type de pertes résistives provient de

courts-circuits (ou shunts) entre les électrodes positives et négatives de la cellule. Ces

différentes pertes résistives influencent fortement la valeur du facteur de forme des cellules

PV.

1.4.2 Recombinaisons volumiques Shockley-Read-Hall (SRH)

Ce mécanisme de recombinaisons n‟est pas intrinsèque au silicium cristallin, au

contraire des phénomènes Auger et radiatifs. Les recombinaisons SRH sont dues aux

impuretés et défauts présents dans le c-Si qui provoquent l‟apparition de niveaux d‟énergie

discrets dans la bande interdite [Schockley54]. L‟émission thermique de porteurs à partir de

ces niveaux est improbable lorsqu‟ils sont suffisamment éloignés du bord des bandes de

valence et de conduction. On parle alors de niveaux « profonds » qui augmentent la

probabilité que les porteurs libres recombinent. Par exemple, un électron libre peut être piégé

dans un niveau profond où il se recombinera ensuite plus facilement avec un trou de la bande

de valence. Ces niveaux sont d‟abord caractérisés par leur densité NT ainsi que leur position

en énergie ET dans la bande interdite. Leurs sections efficaces de capture σn et σp permettent


- 22 -

de représenter leur aptitude à capturer respectivement des électrons et des trous. Dans le cas

du silicium de type p, et pour une densité NT du niveau d‟énergie très inférieure au dopage

NA, la durée de vie τSRH est définie par l‟équation (15) [MacDonald01].

nN

)npN()nn(

A

1A0n10p

SRH (15)

Les paramètres τp0 et τn0 dépendent des sections efficaces de capture respectivement

des trous et des électrons selon l‟équation (16), tandis que n1 et n2 sont liés au niveau

d‟énergie ET du piège par la relation (17).

thTp

0pvN

1

thTn

0nvN

1 (16)

)kT

EEexp(Nn Tc

c1 )kT

EEexp(Np vT

v1 (17)

On définit n1 (et p1) comme la densité d‟électrons (de trous) dans la bande de

conduction Ec (de valence Ev) lorsque le niveau de Fermi EF coïncide avec le niveau piège ET.

vth représente la vitesse thermique des porteurs, Nc et Nv les densités effectives d‟états dans la

bande de conduction et la bande de valence. Plus les niveaux d‟énergie apparus sont proches

des bandes, moins ils vont agir dans le sens de la recombinaison des porteurs. En effet, il sera

plus probable que le porteur capturé par ce niveau d‟énergie soit réémis thermiquement plutôt

qu‟il ne recombine. C‟est pourquoi les niveaux situés vers la moitié du gap provoquent les

plus forts taux de recombinaison. Les défauts et impuretés présents dans le c-Si modifient

donc fortement ses propriétés électriques en favorisant les recombinaisons de porteurs. Il est

en général nécessaire de limiter le nombre de défauts ainsi que la densité d‟impuretés afin de

garder des valeurs élevées de durée de vie des porteurs.

Il faut noter que la valeur de la Jcc n‟est plus limitée par la durée de vie volumique des

porteurs lorsque la longueur de diffusion devient très supérieure à l‟épaisseur de la cellule.

Elle est alors uniquement limitée par les recombinaisons de surface et les facteurs optiques

évoqués précédemment. En revanche, la valeur de Vco est dans la plupart des cas strictement

limitée par les phénomènes de recombinaison et ce, quel que soit leur niveau.

1.4.3 Recombinaisons surfaciques et au contact

La surface d‟un substrat de c-Si représente une rupture brutale dans la continuité du

réseau cristallographique. Ceci entraîne la présence de liaisons non saturée ou liaisons

pendantes (« dangling bonds »). Les atomes de silicium auxquels il manque une liaison

covalente ne sont donc pas dans une configuration électronique stable. Ces défauts


- 23 -

structuraux introduisent des niveaux énergétiques dans le gap du silicium qui vont assister les

phénomènes de recombinaison. Les liaisons pendantes peuvent être saturées par le dépôt

d‟une couche de matériau à la surface. On parle alors de passivation des défauts de surface.

L‟oxyde natif, de mauvaise qualité, n‟apporte aucune passivation, il est donc nécessaire

d‟apporter un traitement adapté à la surface afin de réduire son influence sur les

recombinaisons. La notion de densité d‟états d‟interface Dit(E) exprimée en cm-2

.eV-1

est

utilisée pour caractériser les niveaux d‟énergie introduits par les défauts de surface. Le taux de

recombinaison surfacique s‟exprime par l‟équation (18) en fonction des concentrations

d‟électrons (ns) et de trous (ps) en surface, de la densité d‟états d‟interface, ainsi que des

paramètres définis précédemment pour les recombinaisons SRH [Eades85].

dE)E(D

)E(

pp

)E(

nn

)npn(vU it

E

E

n

1s

p

1s

2

issth

S

C

V

(18)

Afin de représenter les phénomènes de recombinaison surfacique, on utilise la notion

de vitesse de recombinaison de surface. Ce paramètre, noté S, s‟exprime en cm.s-1

. Il dépend

du taux de recombinaison et de la densité de porteurs en excès à la surface selon la relation

(19).

s

S

n

US (19)

Les techniques de passivation s‟appuient sur deux leviers différents. Le premier repose

sur la réduction de la Dit. Le second consiste à diminuer, par effet de champ, la densité de

porteurs susceptible de recombiner à la surface. La croissance d‟un oxyde thermique à haute

température (1000°C) permet de réduire la densité d‟états de surface à des valeurs très basses

(1x109cm

-2eV

-1), à comparer avec les 6.8x10

14 at.cm

-2 d‟une surface orientée (100) [Damon-

Lacoste07]. Certains matériaux hydrogénés réalisés par CVD (a-SiNx:H, a-Si:H, a-SiC:H)

contiennent une certaine quantité d‟hydrogène qui peut passiver les liaisons pendantes.

Cependant, les valeurs de Dit obtenues avec ces matériaux sont en général supérieures d‟au

moins une décade à celles du SiO2 thermique. Pour atteindre d‟excellentes propriétés

passivantes, les matériaux déposés à basse température utilisent donc également le mécanisme

d‟effet de champ. Un type de porteurs est alors éloigné de l‟interface, ce qui réduit le taux de

recombinaisons. Cet effet de champ peut être provoqué par les discontinuités de bande

(énergie de gap différente entre les matériaux), par la présence de charges à proximité de la

surface (charges positives fixes pour le nitrure de silicium) ou encore par un léger dopage

thermique (jonction p/n ou high/low) [Aberle01]. La Figure 7 montre les processus de

recombinaisons dans le cas particulier de l‟interface a-Si:H (n) / c-Si (p). Dans ce cas, les

porteurs peuvent recombiner à l‟interface mais également dans le matériau a-Si:H (n). Dans la

plupart des cas, la passivation de surface est effectuée par un matériau non conducteur. Les

recombinaisons se produisent alors principalement à l‟interface entre les deux matériaux.


- 24 -

Figure 7. Schéma de bandes à l’interface a-Si:H (n) / c-Si (p). Les niveaux d’énergie dus

aux défauts sont indiqués par des traits, et les processus de recombinaisons par des

flèches. EC, EV, EF et eΦ représentent respectivement l’énergie de la bande de

conduction, de celle de valence, l’énergie du niveau de Fermi et la courbure de bande

dans le c-Si. [Korte07]

Il est difficile d‟obtenir directement une mesure de vitesse de recombinaison de

surface. Le paramètre le plus accessible reste la durée de vie effective (τeff) du substrat c-Si,

qui prend en compte à la fois les recombinaisons volumiques et surfaciques. La formule (20)

permet d‟exprimer τeff en fonction des différentes contributions des recombinaisons radiatives

(τrad), Auger (τAuger), SRH (τSRH) et surfaciques (S). Dans ce cas, la même vitesse de

recombinaison de surface est considérée sur chaque face du substrat d‟épaisseur W (cm).

W

S21111

SRHAugerradeff

(20)

Pour un matériau multicristallin, les recombinaisons en volume peuvent dominer et

ainsi limiter la durée de vie effective des porteurs minoritaires. En revanche, dans le cas d‟un

substrat silicium FZ ou CZ (monocristallin), il est plus probable que le rôle de la surface soit

prépondérant, et ce d‟autant plus que l‟épaisseur du substrat est faible. Avec un substrat de

très haute durée de vie, un rendement de cellule supérieur à 27% peut théoriquement être

obtenu si les recombinaisons de surface sont suffisamment faibles [Swanson05].

ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin

- 25 -

2. La cellule photovoltaïque standard en silicium cristallin

2.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard

Les premières cellules solaires c-Si réalisées dans les années 1950 utilisaient des

substrats de type n (dopés Phosphore). À cette époque, leur première application n‟était pas

terrestre, mais spatiale, pour l‟alimentation de satellites. Les substrats de type p se révélant

plus résistants aux radiations, les cellules PV ont ensuite été développées sur du c-Si dopé

Bore [Green09]. Ces premières cellules étaient seulement constituées d‟une jonction diffusée

(émetteur) et d‟un contact ohmique. Par rapport à ces simples photodiodes, l‟architecture des

cellules PV a ensuite rapidement évolué, et abouti à une architecture dite « standard »

schématisée sur la Figure 8.

c-Si type p

BSF Al

Contact Al

Couche Anti-

Reflet

Émetteur

(dopage n+)

Contact AgTexturation

c-Si type p

BSF Al

Contact Al

Couche Anti-

Reflet

Émetteur

(dopage n+)

Contact AgTexturation

Figure 8. Structure standard. Gauche: Photographie de la face avant (wafer pseudo-

carré 150 cm2); Droite: Schéma vue de coupe

A la différence des dispositifs réalisés pour la microélectronique, la totalité du substrat

de silicium cristallin est utilisé. Ces substrats (wafers) sont découpés à la scie à fil dans des

lingots cristallisés selon différents procédés (CZ, FZ, Block-cast). Une épaisseur de 80 μm

suffit théoriquement pour que la quasi-totalité des photons soit absorbée. Cependant les

techniques actuelles de découpe de wafers ne permettent pas d‟atteindre des épaisseurs

inférieures à 100 µm. De plus, la réduction des épaisseurs fragilise les plaques et augmente le

taux de casse tout au long du procédé de fabrication (cellules et modules). Les substrats

multicristallins les plus utilisés au niveau industriel ont une forme carrée

d‟approximativement 15 cm de côté, alors que pour le monocristallin c‟est la forme pseudo-

carrée de 12.5 cm de côté qui est la plus répandue. Trois grandes avancées technologiques,

montrées sur la Figure 8, ont permis l‟augmentation du rendement des cellules PV. Il s‟agit de

la texturation de surface, de l‟usage d‟une couche anti-reflet ainsi que celle d‟un champ de

surface arrière (Back Surface Field BSF).


- 26 -

2.1.1 Texturation et Couche Anti-Reflet

L‟utilisation d‟une structuration de la surface avant (texturation), alliée à une couche

anti-reflet (CAR), permet de réduire drastiquement la réflexion du rayonnement incident. Le

procédé de texturation consiste à créer un relief micrométrique à la surface du wafer de

silicium [Haynos74]. La forme généralement pyramidale du relief multiplie les réflexions et

donc les chances pour la lumière de pénétrer dans le matériau. En effet, le rayonnement

incident est constitué de longueurs d‟onde inférieures aux dimensions des structures réalisées

(quelques m). Dans le cas d‟une double réflexion (Figure 9), le coefficient de réflexion total

devient R2, ce qui entraîne une baisse de la réflexion totale de cette surface. Les techniques

industrielles de texturation se font le plus souvent par voie chimique alcaline (KOH, NaOH,

TMAH). Cependant, les voies acide et sèche font l‟objet d‟un intérêt croissant en particulier

pour les matériaux multi-cristallins.

Figure 9. Schéma de principe des réflexions lumineuses sur une surface texturée. R est le

coefficient de réflexion, T le coefficient de transmission et T+R=1 (l’absorption est

négligée).

Une couche anti-reflet déposée sur la face avant des cellules aide à améliorer le

confinement optique. La CAR permet d‟adapter l‟indice optique entre le milieu extérieur et le

silicium, et ainsi minimiser les réflexions. Pour cela, il est nécessaire que cette couche

possède un indice de réfraction (nCAR) ainsi qu‟une épaisseur (eCAR) adaptés au milieu

extérieur d‟indice next. Les relations (21) et (22) permettent de déterminer les valeurs de eCAR

et nCAR en fonction du milieu extérieur et du silicium (nSi). Le minimum de réflexion peut être

atteint pour des valeurs périodiques de eCAR dépendant de l‟entier m. Il est en général

préférable de prendre m = 1 afin de limiter l‟épaisseur de la CAR.

SiextCAR nnn (21)

CARCAR

n4

)1m2(e (22)


- 27 -

Pour un milieu extérieur constitué d‟air, la valeur de nCAR doit être proche de 2, et

celle de eCAR de l‟ordre de 75 nm. Si l‟on considère les cellules encapsulées dans un module,

ces valeurs varient légèrement avec nCAR ≈ 2.3 et eCAR ≈ 65 nm [Lelièvre07]. La CAR la plus

répandue pour les cellules PV standard est constituée de nitrure de silicium hydrogéné (a-

SiNx:H). En effet, ce matériau peut combiner à la fois des propriétés optiques excellentes et

un niveau élevé de passivation de surface. Cette couche de a-SiNx:H est en général déposée

par PECVD, à des températures proches de 450°C [Aberle01]. Il a également été montré que

l‟hydrogène présent dans cette couche peut diffuser lors de recuits et ainsi passiver des

défauts volumiques en plus des défauts de surface [Duerinckx02].

2.1.2 Champ de Surface Arrière

En face arrière des cellules c-Si standard, il est nécessaire de contacter la base à l‟aide

d‟un contact métallique. Au contact, la vitesse de recombinaison de surface atteint des valeurs

très élevées qui diminuent le rendement des dispositifs. Pour réduire le taux de recombinaison

sur cette face arrière, il est possible de diminuer les défauts d‟interface ou d‟éloigner un des

types de porteurs. L‟efficacité d‟un champ répulsif en face arrière a été d‟abord démontrée par

la réalisation d‟un gradient de dopage [Mandelkorn72]. La jonction high / low ainsi formée

éloigne les porteurs minoritaires de la face arrière, et diminue les recombinaisons au contact.

Dans le cas des cellules standard sur c-Si de type p, la technique la plus répandue au

niveau industrielle utilise une couche d‟Aluminium déposée sur la face arrière. Lors d‟un

traitement thermique adapté (≈ 600°C), un eutectique AlSi est formé, qui en refroidissant

donne naissance à une zone c-Si dopée Al. La profondeur de ce BSF Al peut atteindre

plusieurs microns avec des dopages de l‟ordre de 1x1018

à 1x1019

at.cm-3

[Narasimha99].

Pendant la réalisation du BSF Aluminium, des phénomènes de passivation des défauts

volumiques (gettering) peuvent également apparaître [Dubois07]. Cette étape technologique

agit donc doublement sur la longueur de diffusion des porteurs, en diminuant à la fois les

recombinaisons volumiques et surfaciques.

Les meilleurs rendements atteints par les cellules standard fabriquées industriellement

sont de l‟ordre de 15 à 16% aussi bien sur c-Si monocristallin que multicristallin. Les modules

fabriqués à l‟aide de ces cellules montrent donc des performances légèrement inférieures à ces

valeurs, de l‟ordre de 14% en moyenne. Le Tableau 2 résume les différentes étapes de

fabrication des cellules standard.


- 28 -

Tableau 2. Exemple de procédé de fabrication des cellules standard

Étape Procédé de fabrication Dimension standard (μm)

Substrat Sciage d‟un lingot 150-300 (épaisseur)

Texturation Voie chimique (KOH) 5-15 (taille des pyramides)

Émetteur Diffusion gazeuse (POCl3) 0.5 (profondeur de jonction)

Couche anti-reflet a-SiNx:H par PECVD 0.08 (épaisseur)

Contact pleine plaque face

arrière Aluminium sérigraphié 15-30 (épaisseur)

Grille de contact face

avant Argent sérigraphié 15-30 (épaisseur)

Prise de contact FAV

+ formation du BSF Recuit rapide 1-5 (profondeur BSF)

Ouverture de jonction LASER -

2.2 La cellule standard optimisée: structure PERL

L‟architecture standard des cellules photovoltaïques est issue d‟un compromis entre

l‟obtention d‟un rendement élevé et le maintien d‟un procédé de fabrication peu coûteux. Les

recherches menées depuis le début des années 80, en particulier par l‟équipe de l‟UNSW

(University of New South Wales), avaient pour but d‟améliorer « à tout prix » le rendement

des cellules PV en c-Si. Cette amélioration repose principalement sur une optimisation

continue de la structure des cellules, permettant un meilleur confinement optique ainsi qu‟une

diminution des recombinaisons volumiques et surfaciques, le tout sans provoquer de pertes

résistives. Différentes structures sont successivement apparues : PESC (Passivated Emitter

Solar Cell [Blakers86]), PERT (Passivated Emitter Rear Totally diffused) et enfin PERL

(Passivated Emitter Rear Locally diffused [Zhao99]). Cette dernière détient le record de

rendement sous AM1.5, pour une cellule en silicium cristallin, avec une valeur de 25 %

[Green09]. Ces structures de 4 cm2, schématisées sur la Figure 10, sont fabriquées à l‟aide de

procédés issus de la microélectronique (photolithographie, oxyde thermique) sur un substrat

c-Si FZ de type p (1 Ω.cm et 450 µm d‟épaisseur). Plusieurs technologies avancées sont

nécessaires pour réduire les pertes de ce type de cellule:

Texturation en «pyramides inversées»

Double couche anti-reflet

Grille de contacts à surface réduite

Émetteur « sélectif »

Passivation de surface par oxyde thermique

BSF localisé


- 29 -

Parmi ces technologies d‟augmentation du rendement, les plus reprises dans les

laboratoires et les industries sont l‟émetteur sélectif et le BSF localisé. En effet, la structure

standard utilise des dopages uniformes sur toute la surface de la cellule afin de réaliser

l‟émetteur et le BSF. Pour supporter la prise d‟un contact par les électrodes métalliques, ces

zones sont très dopées, et donc très recombinantes. La technologie des émetteurs sélectifs

repose sur la réalisation d‟un dopage élevé uniquement sous les contacts et d‟un dopage plus

faible ailleurs. Ceci permet de diminuer les recombinaisons dans l‟émetteur, mais également à

sa surface. Il est en effet plus facile de passiver une zone faiblement dopée qu‟une zone

fortement dopée. Pour le BSF localisé, la démarche est la même sauf qu‟il n‟est pas

nécessaire de réaliser un dopage léger hors des contacts. Un oxyde thermique permet en effet

de passiver la surface arrière encore plus efficacement qu‟un léger dopage Bore.

La réalisation de grilles de contact à surface réduite fait également l‟objet de

nombreuses recherches. L‟aspect des lignes peut être caractérisé par un rapport d‟aspect

(« aspect ratio ») égal au rapport de l‟épaisseur et de la largeur des lignes. Il est intéressant de

limiter la valeur de ce paramètre afin de diminuer l‟ombrage occasionné par la grille de

contact. Avec la technique de sérigraphie il est difficile d‟atteindre à la fois des lignes étroites

et épaisses. Parmi les technologies les plus intéressantes pour remplacer la sérigraphie et

former des lignes fines, on peut citer les contacts enterrés ou « buried contacts » [Wenham93]

ainsi que le dépôt induit par illumination « Light induced Plating » (LIP) [Mette06]. En

revanche, ces métallisations fines doivent être plus épaisses afin de limiter les pertes

résistives.

Figure 10. Schéma de la structure PERL [Zhao99]

En raison de trop nombreuses étapes de procédé, la structure PERL ne peut pas être

fabriquée industriellement en l‟état. De nombreuses techniques ont été étudiées afin de

simplifier son procédé de fabrication. Parmi celles-ci, l‟utilisation du LASER semble

particulièrement adaptée, aussi bien pour former des contacts localisés que pour structurer des

couches diélectriques à des vitesses élevées. La firme Suntech, qui collabore activement avec

l‟UNSW, a ainsi récemment annoncé avoir fabriqué des cellules inspirées de la structure

PERL sur ses lignes de production. Un rendement proche de 19% a été atteint, ce qui semble

valider cette approche pour la fabrication de cellules standard à haut rendement [Shi09].


- 30 -

2.3 Cellule standard à émetteur inversé

Les cellules standard à émetteur inversé sont fabriquées à l‟aide des mêmes procédés

que les cellules standard mais sur un substrat de type n. Ainsi, comme indiqué sur la Figure

11, l‟émetteur est réalisé sur la face arrière et le BSF devient FSF (Front Surface Field). Les

rendements obtenus sur cette structure sont plus élevés que sur des cellules type n à émetteur

en face avant [Zhao06]. En effet, l‟émetteur p+

semble provoquer plus de recombinaisons

lorsqu‟il est situé en face avant qu‟en face arrière. Un rendement maximal de 22.7% a ainsi pu

être obtenu avec une structure PERT à émetteur inversé sur un substrat de type n (FZ). Avec

les mêmes substrats, la structure à émetteur en face avant atteint « seulement » 21.9%.

Figure 11. Cellule PV à émetteur inversé sur c-Si de type n

Des variantes industrielles de cette structure existent également, avec l‟émetteur formé

par le recuit d‟une couche d‟Aluminium en face arrière. Des rendements de l‟ordre de 17%

ont ainsi pu être obtenus [Schmiga06] [Mihailetchi08]. Ces variantes industrielles utilisent des

dopages élevés afin de faciliter la prise de contact. Le fait de diminuer le dopage de la face

avant permet à la fois de diminuer les recombinaisons dans le volume de l‟émetteur et à sa

surface. Comme il a été montré dans [Mai09] à l‟aide d‟un procédé basé sur le LASER, un

dopage plus léger du FSF améliore considérablement le courant fourni par la cellule à

émetteur inversé. Un rendement de 18.2% est ainsi atteint sur des substrats CZ de grande

taille (148.6 cm2). Toutefois, cette structure nécessite des substrats de bonne qualité ainsi que

des vitesses de recombinaisons en face avant les plus faibles possibles [Mihailetchi06].

Il existe plusieurs avantages à l‟utilisation de c-Si de type n pour la fabrication de

cellules solaires. Il a en effet été démontré que ses qualités électriques sont supérieures à

celles du c-Si de type p. Le c-Si de type n possède plus facilement des hautes valeurs de

durées de vie, particulièrement grâce à sa moindre sensibilité aux défauts chimiques et

cristallographiques [Cotter06]. De plus, les matériaux CZ et multicristallins de type n sont

beaucoup moins sujets à la dégradation sous éclairement (« Light induced degradation » LID)

que les matériaux de type p (dopés Bore) [Cuevas02]. Les phénomènes de LID sont en effet

liés aux paires B-O qui se forment sous éclairement, et agissent alors comme des centres

recombinants. Ces différents avantages justifient en partie l‟utilisation de c-Si de type n pour

la fabrication de cellules industrielles à haut rendement.

SiNx:H

FSF n+

hContact Ag

c-Si type n

Émetteur p+

Contact Al

SiNx:H

FSF n+

hContact Ag

c-Si type n

Émetteur p+

Contact Al

ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement

- 31 -

3. Les cellules photovoltaïques industrielles en silicium

cristallin à haut rendement

3.1 Structures à contacts en face arrière

Les cellules à contacts en face arrière (« Rear Contact Cells » RCC) représentent un

terrain d‟investigation idéal pour atteindre de hauts rendements. Sur ces structures, les zones

d‟émetteur et de BSF sont localisées sur la face arrière. Ceci permet d‟éviter l‟ombrage des

métallisations en face avant. Cette géométrie est également intéressante pour sa mise en

module facilitée par l‟interconnexion co-planaire des cellules. Les RCC à hauts rendements

développées jusqu‟à maintenant ont une technologie de contacts arrières interdigités

(Interdigitated Back Contact IBC). D‟autres structures, telles que les EWT (Emitter Wrap

Through), MWT (Metallization Wrap Through), et MWA (Metallization Wrap Around),

conservent un émetteur en face avant, tout en ayant les bus de collecte en face arrière. Ceci

permet l‟utilisation de substrats de moins bonne qualité par rapport aux cellules IBC. Cet état

de l‟art est focalisé sur les cellules IBC, cependant un aperçu exhaustif de toutes les

technologies RCC existe dans la littérature [VanKerchaver06].

L‟architecture IBC a été présentée pour la première fois en 1975 par Schwartz pour

une utilisation sous concentration [Schwartz75]. Sur les structures IBC, la jonction p-n et le

BSF, ainsi que leurs métallisations, sont localisés sur la face arrière sous forme de peignes

interdigités. On évite ainsi le compromis inévitable sur les cellules standard entre le taux

d‟ombrage (nécessité de métallisations fines) et les pertes résistives des contacts (nécessité de

métallisations larges). La Figure 12 montre que cette structure possède également un avantage

esthétique dans la mesure où sa face avant est libre de toute métallisation.

Figure 12. Structure IBC. Gauche : Vue de la face avant (pas de métallisations); Droite :

Schéma d’une coupe de la structure

Dans une cellule solaire sous éclairement, la majorité des porteurs sont photogénérés à

proximité de la face avant. Ceci implique deux caractéristiques importantes pour l„obtention

de hauts rendements sur les structures IBC [Nichiporuk05] :

- +C-Si (p)

Émetteur (n+) BSF (p+)

hν

Ag Al

-- ++C-Si (p)

Émetteur (n+) BSF (p+)

hν

Ag Al


- 32 -

La passivation de la face avant doit être extrêmement bonne, afin de limiter le

mécanisme de recombinaison surfacique des porteurs [Sinton87]. Malgré ses excellentes

propriétés de passivation de surface, le SiO2 thermique n‟est pas stable sous illumination

[Swanson85]. Il convient de passiver la surface avec une couche de SiO2, puis de déposer une

couche de a-SiNx:H pour ses propriétés anti-réflectives et sa stabilité sous éclairement

[Swanson85] [Engelhart06]. Une légère diffusion Phosphore permet la création d‟un champ

de surface avant (FSF) qui diminue les recombinaisons de surface et augmente la stabilité de

la passivation [Gruenbaum88]. Ce FSF limite les pertes électriques, notamment en termes de

Vco et de FF comparé aux surfaces uniquement passivées par un oxyde [King88]. Cependant,

un dopage thermique peut introduire des défauts, ou une couche morte (surconcentration de

dopants) à la surface. Ceci réduit fortement la durée de vie des porteurs. Pour éviter cela, le

FSF peut aussi être simplement induit par des charges fixes présentes dans la couche

diélectrique de passivation [Schwartz78].

La longueur de diffusion des porteurs doit être assez élevée pour permettre leur

collecte par la jonction en face arrière. Plusieurs études ont souligné l‟influence de la durée de

vie, et par conséquent de la qualité initiale du substrat, sur les paramètres électriques des

cellules IBC [Nichiporuk05] [Dicker00] [Macintosh03]. Les paramètres géométriques de la

cellule doivent satisfaire la condition suivante: la distance parcourue par les porteurs

minoritaires entre leur génération et leur collecte doit être plus petite que la longueur de

diffusion des porteurs (directement reliée à leur durée de vie).

D‟autres paramètres sont à considérer dans l‟optimisation des cellules IBC :

La résistivité du substrat et la géométrie de la face arrière sont à optimiser

simultanément pour atteindre d‟excellents FF (≥ 80%). L‟épaisseur et la résistivité du

substrat, la géométrie et le dopage des zones actives, ainsi que les métallisations, apparaissent

en effet comme les principaux paramètres influençant les pertes résistives des cellules IBC

[Verlinden97]. Pour la fabrication des cellules industrielles, les substrats utilisés sont fins

(150 à 200 µm) et les zones localisés assez larges (1 mm) du fait des procédés de fabrication à

bas coût [DeCeuster07]. Les porteurs de charge ont alors une longueur importante à parcourir

latéralement dans le substrat de section réduite. Ceci peut entraîner des pertes résistives non

négligeables. L‟utilisation d‟un Front Surface Field (FSF) permet d‟augmenter la conductivité

de la base, et donc de relâcher les contraintes sur la résistivité du substrat et la géométrie de la

cellule [Granek08a].

La passivation de la face arrière est également capitale pour réduire le courant de

saturation des cellules. Sous les contacts métalliques, la vitesse de recombinaison est très

élevée, c‟est pourquoi Swanson a développé la technologie de « point contact » qui limite la

surface des zones de contact. Ceci permet une très bonne passivation d‟une grande partie de la

face arrière de la cellule [Swanson85]. Un oxyde thermique représente une excellente couche

de passivation pour la face arrière lorsque des régions de polarité différentes sont présentes

[Smith00].


- 33 -

La surface d’émetteur doit être suffisamment importante pour permettre la collecte des

porteurs. Ce paramètre dépend cependant de la qualité du substrat et de la passivation de

surface dans les zones autres que l‟émetteur. Cependant, sur la plupart des cellules IBC, les

métallisations des zones de l‟émetteur et du BSF ont les mêmes proportions que les zones

elles-mêmes. Une asymétrie trop importante entre ces zones peut provoquer des pertes

résistives dans la métallisation du BSF. La structure IBC à émetteur enterré, proposée

récemment, permet de découpler la largeur zones dopées de celle de leurs métallisations

[Harder08].

Le Tableau 3 contient les performances les plus marquantes atteintes par les cellules

IBC pour des applications sous un éclairement AM1.5.

Tableau 3. Principales performances des cellules IBC

Structure/

c-Si

Surface

(cm2)

Vco

(mV)

Jcc

(mA/cm2)

FF

(%)

η

(%) Qui ?

A300/ type n 149 678 39.5 80.3 21.5 SunPower (Production)

[Mulligan04]

IBC/ type n 21.15 681 40.0 83.3 22.7 SunPower (Production)

[Verlinden97]

IBC/ type n 90.25 651 39.5 79.6 20.5 Sharp (R&D)

[Nakamura05]

IBBC/ type n 8 664 37.9 76.5 19.2 UNSW (R&D)

[Guo05]

IBC/ type p 1 698 39.8 79.4 22.1 Fraunhofer ISE (R&D)

[Dicker02]

RISE/ type p 4 662 41.7 79.9 22.0 ISFH (R&D)

[Engelhart06]

Cette structure présente donc beaucoup d‟avantages par rapport aux cellules

conventionnelles, et permet d‟atteindre des très hauts rendements sur de grandes surfaces (150

cm2). Les procédés de localisation doivent cependant être assez fiables et précis pour éviter

tout court-circuit entre les zones de polarité différente. Les principales techniques de

localisation, dans le domaine du photovoltaïque, utilisent la photolithographie, la sérigraphie

et le LASER.

La photolithographie est largement utilisée dans les laboratoires de R&D car elle

permet d‟obtenir une très grande précision d‟alignement [Verlinden97] [Nakamura97]

[Dicker00]. Cependant son coût représente un obstacle à son utilisation au niveau industriel

aujourd‟hui.


- 34 -

La sérigraphie de pâtes dopantes, gravantes ou masquantes [Kuebelbeck04] s‟est

beaucoup développée depuis quelques années pour la réalisation de structures localisées.

L‟amélioration des techniques de sérigraphie permet des alignements plus précis, et la

manipulation de substrats de plus en plus fins, tout en conservant des cadences de production

intéressantes.

La technologie LASER (contacts enterrés [Guo06], contacts classiques [Huljic06],

technologie RISE [Engelhart06]) peut apporter une précision suffisante, avec des cadences

élevées. Cette méthode se fait sans contact sur le substrat et permet donc l‟utilisation de

plaques minces. Cependant, la gravure LASER doit la plupart du temps être suivie d‟un

nettoyage chimique, et son application industrielle n‟a pas encore été prouvée pour les IBC.

SunPower Corp a d‟abord lancé, en 1993, l‟industrialisation à grande échelle des

cellules IBC avec le procédé de photolithographie et l‟utilisation de cinq masques différents

[Sinton93]. Ce procédé a depuis été adapté à des méthodes bas-coût avec la sérigraphie. Un

rendement moyen de 22.4% est atteint sur leur dernière ligne de production (33MW) située

aux Philippines [DeCeuster06]. Les meilleures cellules fabriquées dépassent même 23% de

rendement. Cependant ces structures restent limitées par des recombinaisons au contact et

dans les zones dopées thermiquement [Swanson05]. L‟utilisation de contacts moins

recombinants (hétérojonctions polymère [Cousins07b], poly-Si [Swanson08], a-Si:H

[Cousins07a]) permettrait donc théoriquement d‟améliorer encore les rendements des cellules

IBC au-delà de 25%.

3.2 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si

Les cellules PV à hétérojonctions (HJ) sont obtenues par la mise en contact de

matériaux d‟énergie de gap (EG) différente. L‟hétérojonction silicium (Si-HJ) consiste à

mettre en contact le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) avec le silicium cristallin (c-Si).

L‟énergie de gap du a-Si:H (1.5 eV ≤ EG ≤ 1.9 eV) est en effet plus élevée que celle du c-Si

(1.12 eV). À la différence des cellules à homojonctions classiques, les zones dopées et la

passivation de surface sont ici réalisées par un unique dépôt de silicium amorphe hydrogéné.

Celui-ci possède en effet de bonnes qualités de passivation de surface, et l‟on peut changer ses

propriétés électriques par l‟insertion d‟impuretés dopantes. En général, les couches a-Si:H

d‟une épaisseur de quelques nm sont déposées grâce à la technique de CVD assistée par

plasma ou par filament chaud (Plasma Enhanced CVD et Hot Wire CVD).

La conductivité du a-Si:H est très inférieure à celle du c-Si, il faut donc ajouter une

couche conductrice sur toute sa surface afin de pouvoir collecter le courant. Sur la face

illuminée de la cellule, cette couche conductrice est constituée d‟un oxyde transparent

conducteur (OTC) qui collecte le courant. Cet OTC assure également un bon contact avec les

électrodes métalliques, tout en jouant le rôle de couche anti-reflet (Figure 13). Si l‟on

n‟éclaire pas la face arrière des cellules, un simple métal peut y être déposé sur la couche

amorphe, plutôt qu‟un OTC.


- 35 -

Substrat c-Si (n)

BSF a-Si:H (n) ou (i / n)

émetteur a-Si:H (p) ou (i / p)

Ag

Contact BSF (Al ou ITO / Al)

Oxyde Transparent Conducteur

Ag

Substrat c-Si (n)

BSF a-Si:H (n) ou (i / n)

émetteur a-Si:H (p) ou (i / p)

Ag

Contact BSF (Al ou ITO / Al)

Oxyde Transparent Conducteur

Ag

Figure 13. Structure schématique et évolution du rendement de cellules à hétérojonctions

a-Si:H / c-Si [Korte07]

Fuhs et al ont été les premiers à démontrer qu‟un photocourant pouvait être généré par

une structure a-Si:H/c-Si en 1974 [Fuhs74], mais la première véritable cellule est due à Okuda

et al en 1983 avec un rendement de 12.4% [Okuda93]. La firme Sanyo a ensuite apporté une

avancée fondamentale à la structure en 1991 en insérant un film a-Si:H non dopé (intrinsèque)

entre le substrat et la couche a-Si:H dopée [Tanaka92]. Cette technologie HITtm

(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) permet d‟améliorer considérablement la passivation

de surface, et donc la Vco des cellules. Ce film mince (≤ 5 nm) de a-Si:H intrinsèque (couche

« tampon ») permet en effet de garder un champ électrique élevé tout en diminuant la densité

de défauts à l‟interface.

Les premiers développements des cellules Si-HJ ont été réalisés sur des structures où

l‟émetteur seulement était constitué d‟un film de a-Si:H. Pour ces cellules à simple

hétérojonction, les meilleurs rendements sont de l‟ordre de 17%, limités par la qualité

moyenne du BSF. C‟est pourquoi la majorité des recherches se fait aujourd‟hui sur des

cellules Si-HJ à double hétérojonction avec à la fois l‟émetteur et le BSF réalisés en a-Si:H.

Depuis 15 ans, les performances des cellules Si-HJ se sont considérablement améliorées

(Figure 13) pour atteindre des rendements de 23% en laboratoire [Sanyo09] et de 19.5% en

production sur des cellules de 100 cm2 [Ide08]. Le Tableau 4 présente un état de l‟art des

performances des cellules Si-HJ.


- 36 -

Tableau 4. Résultats marquants des cellules Si-HJ

Surf.

(cm2)

Substrat

c-Si

Face

avant

Face

arrière

VCO

(V)

JCC

(mA/

cm2)

FF

(%)

Rdt

(%) Qui ?

100.4

Text.

Type n

CZ

OTC /

a-Si:H (p)/

a-Si:H (i)/

a-Si:H (i)/

a-Si:H (n)

/TCO

729 39.5 80.0 23.0 Sanyo

[Sanyo09]

100.5

Text.

Type n

CZ

70 µm

TCO /

a-Si:H (p)/

a-Si:H (i)/

a-Si:H (i)/

a-Si:H (n)

/TCO

739 37.3 77.6 21.4 Sanyo

[Ide08]

1.0

Text.

1-2

Ω.cm

Type n

FZ

ZnO:Al /

a-Si:H (p)

a-Si:H (n)

/Al 639 39.3 78.9 19.8

HMI

[Korte07]

1.0

Text.

1-2

Ω.cm

Type p

FZ

ZnO:Al /

a-Si:H (n)

a-Si:H (p)

/Al 634 36.8 79.1 18.5

HMI

[Korte07]

0.2

1 Ω.cm

Type n

FZ

ITO/

a-Si:H (p)

a-Si:H (n)

/ITO/Al

682 34.0 82.0 19.1 IMT

[Fesquet07] 713 32.0 74.0 16.9

?

Text.

1 Ω.cm

Type n

CZ

(MgF2)/

ITO/

a-Si:H (p)

a-Si:H (n)

/Al 694 36.4 74.4 18.8

IEC

[Das07]

1.0

Text.

2-4

Ω.cm

Type p

FZ

ITO /

a-Si:H (n)

/ a-Si:H

(i)/

a-Si:H (i)/

a-Si:H (p)

/Al

678 35.9 78.6 19.1 NREL

[Wang08]

1.0

Text.

2-4

Ω.cm

Type n

FZ

ITO /

a-Si:H (p)/

a-Si:H (i)/

a-Si:H (i)/

a-Si:H (n)

/ITO/Al

664 35.3 74.5 17.2 NREL

[Wang08]

?

1 Ω.cm

Type n

FZ

ITO /

a-Si:H(p)/

SiOx:H(i)

aSiOx:H

(i) /a-

Si:H(n+)

695 32.4 79.0 17.7 Uni Hagen

[Mueller08]

25.0

Text.

14-22

Ω.cm

Type p

FZ

ITO /

a-Si:H (n)/

pm-Si:H

(i)

aSiC:H(p)

/a-Si:H

(p) /Al

630 34.5 76.2 16.6 CEA+CNRS

[Ribeyron06]

4.0

1 Ω.cm

Type n

mc

ITO /

a-Si:H (n)/

a-Si:H (i)

a-Si:H (i)/

a-Si:H (p)

ITO/Al

600 34.6 73.0 15.1 ENEA

[Tucci06]


- 37 -

La réussite industrielle des cellules HITtm

a validé les multiples avantages des

hétérojonctions a-Si:H/c-Si :

La tension de circuit ouvert peut atteindre des valeurs extrêmement élevées grâce aux

excellentes passivations de surface obtenues par l‟hétérojonction a-Si:H / c-Si. Les Vco des

cellules HIT sont d‟ailleurs plus élevées sur des substrats de 85 µm (739 mV [Ide08]) que sur

des substrats plus épais (729 mV [Sanyo09]). Ceci prouve que ces cellules sont désormais

davantage limitées par les recombinaisons dans le matériau plutôt qu‟en surface.

Les étapes de fabrication de la cellule se font à des températures inférieures à 250°C, ce

qui diminue fortement le budget thermique du procédé de fabrication. En plus d‟économiser

de l‟énergie, cet aspect peut être positif pour des matériaux sensibles aux étapes à haute

température (mc-Si de type n, substrats minces).

Par rapport aux cellules à homojonction, le rendement des cellules Si-HJ se dégrade

moins avec la température. En effet, les performances des cellules solaires c-Si chutent

légèrement avec la température, du fait principalement d‟une chute de la Vco. La baisse de

puissance produite en fonction de la température se traduit par un coefficient de température

qui s‟exprime en %.K-1

. Les cellules Si-HJ peuvent atteindre des coefficients de 0.3 %.K-1

alors qu‟ils sont en général supérieurs à 0.4 %.K-1

pour les cellules standard [Ide08]. Une

installation PV fonctionnant en moyenne à 70-80°C, un module HITtm

produit donc dans la

journée plus d‟électricité qu‟un module classique de même puissance [Sakata00].

Les cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H/c-Si sont au cœur des recherches de

multiples instituts, et l‟on peut extraire plusieurs problématiques spécifiques parmi les

différents travaux publiés. Le choix du type de substrat cristallin et son état de surface

semblent tout d‟abord être primordiaux pour l‟obtention de très hauts rendements. Le

développement de couches a-Si:H, d‟OTC ainsi que de contacts métalliques optimisés est

également critique, tout comme l‟influence des traitements thermiques post-dépôt.

3.2.1 Choix du type de substrat

La plupart des laboratoires travaillent sur les deux types de substrat et des rendements

supérieurs à 19% ont été obtenus sur type n et sur type p. Au niveau théorique, il est possible

de déterminer quel type de substrat est préférable. La Figure 14 montre le diagramme de

bande de l‟hétérojonction a-Si:H (n) / c-Si (p).


- 38 -

Figure 14. Diagramme de bande schématique pour une hétérojonction c-Si (p) / a-Si:H

(n). n et p correspondent aux énergies d’activation dans les matériaux de type n et p,

χ1 et χ2 à leur affinité électronique, EVAC à l’énergie du vide.

La différence d‟énergie de gap entre le c-Si (EG1) et le a-Si:H (EG2) entraîne des

discontinuités (« Band Offsets ») au niveau de la bande de valence (ΔEV) et de conduction

(ΔEC). Ces discontinuités ont une influence sur les barrières de potentiel (Vbn) et (Vbp) de part

et d‟autre de la jonction. Elles permettent donc théoriquement d‟augmenter le potentiel de

diffusion (VD) de la jonction a-Si:H / c-Si par rapport à une homojonction classique.

Cependant, elles imposent également certaines limitations à la collection des porteurs en

fonction de la distribution des discontinuités [Fantoni01].

La règle d‟Anderson permet de relier le potentiel interne de la jonction, les

discontinuités de bandes, les niveaux de dopage et l‟énergie de gap du c-Si. L‟équation (23)

donne l‟expression du potentiel de diffusion pour une hétérojonction a-Si:H (n) / c-Si (p), et

l‟équation (24) pour le cas a-Si:H (p) / c-Si (n).

Cpn1GD E)(EV (23)

Vpn1GD E)(EV (24)

Les valeurs de la littérature indiquent en moyenne des valeurs de ΔEV nettement

supérieures à celles de ΔEC (~0.45 eV contre ~0.15 eV). Un potentiel de diffusion plus élevé

peut donc théoriquement être atteint pour une hétérojonction a-Si:H (p) / c-Si (n). Ce potentiel

plus élevé permet l‟augmentation de la Vco, mais également une moindre sensibilité aux

défauts d‟interface [Jensen02]. Ceci confirmerait le potentiel de rendement plus élevé des

c-Si (p) a-Si:H (n)

Dit

EF

EC

EV

ΔEV

ΔEC

EG1

EG2

δp

δn

EVAC

Χ1

Χ2

q.Vbp

q.Vbn

q.Vbn

q.Vbp q.VD

c-Si (p) a-Si:H (n)

Dit

EF

EC

EV

ΔEV

ΔEC

EG1

EG2

δp

δn

EVAC

Χ1

Χ2

q.Vbp

q.Vbn

q.Vbn

q.Vbp q.VD


- 39 -

cellules Si-HJ sur c-Si type n [Froitzheim02]. En conclusion, l‟usage de c-Si de type n semble

plus intéressant au niveau théorique, ce qui est confirmé expérimentalement par l‟obtention

des meilleurs rendements sur ce type de substrats. Cependant d‟autres auteurs estiment qu‟au

niveau pratique, il est possible d‟obtenir quasiment le même rendement sur les deux types de

substrats (0.5% de différence [Korte07]). Enfin, la répartition des discontinuités dépendant

fortement de la densité de charges fixes et d‟atomes d‟hydrogène à l‟interface

[VanDeWalle95], on peut imaginer jouer sur ces paramètres afin d‟adapter ΔEV et ΔEC en

fonction du substrat utilisé.

3.2.2 Nettoyage de surface

Un grand nombre d‟études mettent en évidence la relation directe entre le nettoyage de

la surface du c-Si avant dépôt et les performances des cellules Si-HJ [Page06] [Taira07]

[Angermann08]. En effet la présence de défauts trop nombreux à l‟interface va non seulement

engendrer des niveaux de pièges à l‟interface, mais également détériorer la qualité des

premiers nm de a-Si:H déposés. Si les porteurs libres arrivent à surmonter la barrière présente

à l‟interface a-Si:H / c-Si, ils peuvent également recombiner dans les défauts volumiques du

a-Si:H [Korte07].

La notion d‟interface effective permet de considérer à la fois les défauts à l‟interface et

dans les premières couches atomiques du a-Si:H [Wang05]. Les nettoyages par voie chimique

sont les plus utilisés, cependant des études ont été menées sur la voie sèche (gravure plasma).

Avant dépôt a-Si:H, la littérature s‟accorde sur l‟importance de faire subir au moins une

trempe aux substrats c-Si, généralement dans de l‟acide fluorhydrique, afin d‟enlever l‟oxyde

natif. Selon le Tableau 5, des nettoyages plus poussés sont toutefois nécessaires pour

améliorer la Vco des cellules Si-HJ.

Tableau 5. Évolution de la Vco d’une cellule Si-HJ en fonction du nettoyage de

surface avant dépôt a-Si:H [Page06]


- 40 -

Le nettoyage de la surface avant le dépôt est donc d‟une importance extrême et les

paramètres des cellules solaires en dépendent crucialement. Après texturation, la surface du c-

Si présente un aspect rugueux ainsi qu‟un relief net qu‟il convient d‟adoucir par différents

nettoyages [Angermann08]. L‟adoucissement des reliefs, visible sur la Figure 15, permet en

effet d‟éviter les phénomènes d‟épitaxie localisés (lors du dépôt de a-Si:H) qui nuisent à la

passivation de surface [Olibet07]. La qualité d‟une texturation et du nettoyage peut être

évaluée par la réflectivité effective de la surface ainsi que par la durée de vie effective des

substrats passivés.

Figure 15. Images MEB d’un substrat texturé, avant (à gauche) et après (à droite)

nettoyage chimique [Angermann08].

3.2.3 Couches a-Si:H

Les couches a-Si:H développées pour la fabrication des cellules Si-HJ doivent

permettent à la fois de passiver la surface et de réaliser une jonction p/n ou high/low. Ces

couches de 5 à 30 nm d‟épaisseur en moyenne peuvent être constituées d‟un seul matériau ou

d‟un empilement de 2 à 3 matériaux différents. La transition entre ces matériaux peut se faire

soit de manière abrupte, soit par un gradient.

Le silicium amorphe hydrogéné peut être dopé par l‟insertion d‟impuretés telles que le

Phosphore, le Bore ou l‟Aluminium. La méthode la plus courante pour fabriquer des couches

a-Si:H dopées consiste à introduire des gaz précurseurs contenant les impuretés dopantes dans

le réacteur de dépôt. Une certaine fraction des atomes dopants est introduite dans la matrice

de a-Si:H et peut participer au transport des charges. L‟autre fraction (dopants inactifs) induit

une augmentation des défauts dans la couche et donc une densité d‟états accrue dans le gap.

La Figure 16 tirée de [Carlson90] donne un aperçu des valeurs de conductivité pouvant être

obtenues en dopant le a-Si:H.


- 41 -

Figure 16. Conductivité du a-Si:H en fonction du dopage [Carlson90]

L‟augmentation de la densité d‟impuretés dans le a-Si:H provoque la chute des

mobilités [Sze81] et de l‟efficacité de dopage (rapport des dopants actifs et des dopants

inactifs) [Street82]. C‟est pourquoi l‟augmentation du nombre d‟atomes dopants dans le a-

Si:H n‟est pas forcément corrélée à l‟augmentation de sa conductivité. L‟efficacité de dopage

du a-Si:H est très faible (< 30%) et peut même être inférieure à 1% pour le dopage Bore

[Searle98]. Il faut cependant préciser que des matériaux a-Si:H présentant une fraction

cristallisée permettent d‟atteindre des valeurs de conductivité plus élevées que les matériaux

purement amorphes (≥ 1 S.cm-1

) [Alpuim01]. Ces couches microcristallines dopées peuvent

être utilisées sous le contact afin d‟améliorer l‟effet tunnel par rapport aux couches purement

amorphes [Rostan06].

Le a-Si:H dopé possède une densité de défauts élevée favorisant les recombinaisons à

l‟interface a-Si:H / c-Si et à proximité de celle-ci. C‟est pourquoi la majorité des cellules Si-

HJ utilisent aujourd‟hui la technologie HIT, véritable clé pour atteindre les hauts rendements.

La difficulté principale de cette technologie est d‟optimiser les propriétés de la couche tampon

pour qu‟elle permette la diminution des recombinaisons à l‟interface tout en n‟altérant pas le

transport des charges. La couche tampon peut être optimisée au niveau de son énergie de gap,

de sa conductivité et de son épaisseur [Lu08] [Einsele07] afin d‟éviter les pertes résistives.

C‟est avec une couche tampon en a-Si:H que les cellules Si-HJ atteignent les meilleurs

rendements. En effet, ce matériau permet de passiver très efficacement la surface du c-Si

comme le montrent les vitesses de recombinaisons de surface inférieures à 5 cm.s-1

obtenues

[Olibet07].

1,E-13

1,E-11

1,E-09

1,E-07

1,E-05

1,E-03

1,E-01

1E+2

1

1E+2

0

1E+1

9

1E+1

8

1E+1

7

1E+1

6

1E+1

5

1E+1

5

1E+1

6

1E+1

7

1E+1

8

1E+1

9

1E+2

0

1E+2

1

Type n Type p

1x10-13

1x10-11

1x10-9

1x10-7

1x10-5

1x10-3

1x10-1

σ(O

hm

.cm

)-1

Dopage B (cm-3) Dopage P (cm-3)

1x10

21

1x10

20

1x10

19

1x10

18

1x10

17

1x10

16

1x10

21

1x10

15

1x10

20

1x10

19

1x10

18

1x10

17

1x10

21

1x10

15

1x10

16

1,E-13

1,E-11

1,E-09

1,E-07

1,E-05

1,E-03

1,E-01

1E+21

1E+20

1E+19

1E+18

1E+17

1E+16

1E+15

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

1E+21

Type n Type p

1,E-13

1,E-11

1,E-09

1,E-07

1,E-05

1,E-03

1,E-01

1E+21

1E+20

1E+19

1E+18

1E+17

1E+16

1E+15

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

1E+21

Type n Type p

1x10-13

1x10-11

1x10-9

1x10-7

1x10-5

1x10-3

1x10-1

σ(O

hm

.cm

)-1

Dopage B (cm-3) Dopage P (cm-3)

1x10

21

1x10

20

1x10

19

1x10

18

1x10

17

1x10

16

1x10

21

1x10

15

1x10

20

1x10

19

1x10

18

1x10

17

1x10

21

1x10

15

1x10

16

1,E-13

1,E-11

1,E-09

1,E-07

1,E-05

1,E-03

1,E-01

1E+21

1E+20

1E+19

1E+18

1E+17

1E+16

1E+15

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

1E+21

Type n Type p


- 42 -

Le a-SiOx:H est également envisageable comme couche tampon car il montre

d‟excellentes propriétés de passivation de surface [Mueller08]. Un autre avantage de ce

matériau est son grand gap qui permettrait de diminuer les pertes par absorption dans

l‟émetteur en face avant. En effet, les porteurs photogénérés dans l‟émetteur amorphe sont

directement recombinés par ses nombreux défauts, provoquant une chute du courant pour une

épaisseur de matériau croissante [Tanaka92] [Damon-Lacoste07]. Il est donc nécessaire de

réaliser des couches ultrafines pour éviter l‟absorption d‟une trop grande quantité du

rayonnement. Là encore, il s‟agit de trouver le bon compromis dans la mesure où la vitesse de

recombinaison de surface diminue en général avec l‟épaisseur de a-Si:H déposée.

En ce qui concerne les couches déposées sur la face arrière (BSF), l‟épaisseur n‟est

pas un paramètre aussi crucial que pour l‟émetteur en face avant [Stangl03]. Cependant une

vitesse de recombinaison faible (inférieure à 100 cm.s-1

[Sawada94]), ainsi qu‟une réflectivité

interne élevée, sont nécessaires en face arrière pour obtenir des valeurs élevées de Jcc

[Page06].

Lors du dépôt des couches a-Si:H, des phénomènes d‟épitaxie peuvent apparaître à

proximité de l‟interface [Wang05]. Ces portions cristallines dans le matériau amorphe

entraînent une diminution de la passivation de surface et donc des performances des cellules

Si-HJ. Les phénomènes d‟épitaxies semblent être liés à la température du dépôt et la

puissance du plasma [Fujiwara07a] mais également à l‟orientation cristalline du substrat

[Das07]. Afin d‟obtenir des couches de grande qualité, ne dégradant pas l‟interface, il semble

enfin nécessaire d‟utiliser un mode de dépôt « doux », soit par PECVD en réduisant la vitesse

de dépôt [Maruyama06], soit par HWCD où le substrat n‟est pas soumis au bombardement

ionique [Munoz08].

3.2.4 Oxyde Transparent Conducteur (OTC) et contacts

L‟OTC présent en face avant des cellules Si-HJ permet à la fois d‟acheminer les

charges jusqu‟à l‟électrode de collecte et de diminuer les réflexions (couche anti-reflet). C‟est

pourquoi il est caractérisé principalement par sa conductivité, son absorption et son indice de

réfraction. De son optimisation dépendent principalement les valeurs de Jcc (confinement

optique) et FF (résistance latérale et au contact). Ces valeurs peuvent également être impactée

par le travail de sortie du contact [Centurioni03], si la couche a-Si:H recouverte est trop fine

et/ou pas assez dopée [Froitzheim02]. C‟est l‟ITO (Indium Tin Oxyde) déposé par

pulvérisation qui est le plus répandu comme OTC sur les cellules Si-HJ, cependant le ZnO:Al

semble pouvoir rivaliser [Ribeyron08a]. Pour la face arrière des cellules Si-HJ, il est possible

de ne pas utiliser de TCO si l‟on ne souhaite pas réaliser des cellules bifaciales. Un TCO en

face arrière permet cependant d‟éviter la dégradation des couches a-Si:H induites par le dépôt

d‟un métal (Al ou Ti par exemple). De plus, un meilleur confinement optique peut être atteint

à l‟aide d‟un empilement TCO / Métal en face arrière [Page06]. Cependant, certaines des

meilleures cellules Si-HJ fabriquées utilisent une simple couche d‟Aluminium évaporé en

face arrière [Korte07].


- 43 -

3.2.5 Traitements thermiques

Les couches a-Si:H sont déposées en général à des températures inférieures à 250°C.

Le budget thermique apporté par les étapes de procédé ultérieures doit donc être maîtrisé. En

effet, des traitements thermiques même effectués à des températures inférieures à la

température de dépôt peuvent avoir un effet sur les propriétés de passivation de surface des

couches a-Si:H [Korte07]. L‟hydrogène atomique présent dans le a-Si:H et à l‟interface peut

en effet diffuser à basse température. Lors d‟un recuit, il est possible que l‟hydrogène

moléculaire présent dans les couches se dissocie en atomes H qui peuvent alors saturer les

liaisons pendantes. Cependant, l‟hydrogène atomique peut également effuser hors de la

couche et laisser des liaisons pendantes non satisfaites. Les traitements thermiques post-dépôt

semblent néfastes dans le cas où des phénomènes d‟épitaxie sont déjà présents [DeWolf07a]

ainsi que pour l‟empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (p) [DeWolf07b].

3.2.6 Critères pour l’optimisation des cellules à hétérojonction silicium

Il est possible de définir différents critères permettant la fabrication de cellules Si-HJ à

hauts rendements. Ces dispositifs doivent être optimisés en fonction de plusieurs exigences :

1/ Une densité d’états d’interface minimale est nécessaire. Pour cela, le nettoyage de

la surface est une étape cruciale afin d‟éviter toute contamination avant le dépôt des couches

a-Si:H.

2/ Le dopage des couches a-Si:H (n) et (p) doit être suffisant pour assurer un champ

électrique élevé ainsi qu‟un bon contact.

3/ Dans la mesure où les couches dopées sont très défectueuses, il est nécessaire

d‟insérer une couche de passivation à l’interface. Cette couche tampon ou « buffer » doit

permettre la diminution des recombinaisons de surface, tout en ne gênant pas la conduction

des charges.

4/ Les valeurs des discontinuités de bandes doivent être contrôlées dans la mesure

du possible pour trouver un compromis entre propriétés de passivation (forte discontinuité) et

de conduction (faible discontinuité).

5/ Les couches d‟OTC ainsi que les électrodes métalliques sont soumises à un

compromis entre propriétés optiques (réflectivité, absorption, ombrage) et propriétés

électriques (conductivité).

Pour conclure cette partie, il est important de souligner que l‟effet Staebler-Wronski

constaté sur les cellules p-i-n n‟est pas visible sur les cellules Si-HJ [Sawada94]. Les

performances de ces cellules sont en effet stables quel que soit le type de c-Si après exposition

à la lumière ainsi qu‟à des températures de fonctionnement réelles [Bowden08].


- 44 -

3.3 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si et contacts en face arrière

La structure Si-HJ à contacts en face arrière est évoquée pour la première fois dans

une demande de brevet de la firme EBARA en 2003 [Mishima03]. Ce type de cellules

permettrait théoriquement d‟atteindre des rendements supérieurs à 25% [Swanson05]. C‟est

pourquoi plusieurs laboratoires, dont le CEA-INES, ont commencé à l‟étudier depuis 2007.

Par rapport aux cellules Si-HJ classiques, cette structure représente une voie d‟amélioration

du rendement ainsi qu‟une possibilité de mise en module simplifiée. Elle doit néanmoins faire

face aux mêmes problématiques que les structures RCC classiques, à savoir la nécessité

d‟utiliser des substrats de bonne qualité électrique avec une passivation de surface excellente

en face avant. Le Tableau 6 rassemble les différentes géométries proposées pour les cellules

Si-HJ à contacts en face arrière. La majorité des cellules à hétérojonctions et contacts en face

arrière réalisées expérimentalement ont une structure interdigitée (IBC) à double

hétérojonction (émetteur et BSF).

Tableau 6. Structures de cellules Si-HJ à contacts en face arrière

Brevet EBARA [Mishima03]

IBC Si-HJ [Lu07b]

IBC Si-HJ avec couche (i) [Lu07b]

BEHIND [Tucci07]

RECASH [Stangl07]

PRECASH [Stangl08]


- 45 -

L‟usage de dépôts de a-Si:H plutôt que de dopages thermiques pour la réalisation de

cellules RCC peut permettre à la fois de simplifier les structures et leur procédé de fabrication

(localisation plus simple des couches a-Si:H) [Lu07b]. Au niveau expérimental, la première

réalisation de cellules IBC Si-HJ peut être attribuée à Lu et al qui ont obtenu en 2007 un

rendement de 11.8% sur c-Si de type n (1 cm2) en utilisant la technique de photolithographie

[Lu07a]. La Vco (602 mV) et le Jcc de cette structure (26.7 mAcm-2

) sont limités par les

recombinaisons entre les électrodes (gap). Les recombinaisons dans le gap ont en effet un

impact important sur les performances de ce type de cellules [Lu08]. Mais le procédé de

fabrication utilisé par Lu et al implique de laisser une zone large de 2 µm non passivée dans

ce gap.

La structure BEHIND (Back Enhanced Heterostructure with INterDigitated contact)

est réalisée à l‟aide d‟un procédé basé sur l‟utilisation de masques métalliques. Une étape de

gravure sèche à travers un masque est utilisée après le dépôt de l‟émetteur pour le localiser

[Tucci07]. Le dépôt du BSF peut ainsi s‟effectuer ensuite à travers le même masque. Les

cellules BEHIND ont été développées sur c-Si de type p et détiennent le record mondial avec

un rendement de 15% sur une surface de 6.25 cm2

[Tucci08].

Une structure originale appelée RECASH (Rear Contact Amorphous/Crystalline

Silicon Heterojunction) a été développée par le HZB [Stangl07]. La RECASH est réalisable

seulement sur un substrat de type p dans la mesure où le BSF est réalisé avec un contact

d‟aluminium, et seul l‟émetteur est en a-Si:H. Ce design ne nécessite théoriquement pas

d‟étapes de masquage particulières, car l‟isolation entre le BSF et l‟émetteur peut être obtenue

par croissance d‟un oxyde d‟aluminium sur la grille de contact. Un rendement proche de 14%

a été démontré sur c-Si de type p (1 cm2) en utilisant des étapes de photolithographie. Ces

performances sont limitées par une forte résistance au contact et une forte densité de défauts à

l‟interface c-Si / a-Si:H, induite par le procédé de fabrication. Le même laboratoire explore

également une voie différente avec la PRECASH (Planar Rear Emitter back Contact

Amorphous / Crystalline Silicon Heterojunction), qui a pour l‟instant donné des résultats

limités [Stangl08]. L‟avantage possible serait une augmentation du courant et de la tension

grâce à la structure de « point-contact » pour le BSF ici en a-Si:H.

D‟excellentes valeurs de Vco proches de 700 mV ont pu être obtenues avec l‟insertion

d‟un film a-Si:H intrinsèque pour la passivation de la face arrière [Tucci08] [Lu07b]. Les

cellules réalisées avec cette couche tampon souffrent cependant de problèmes de conduction

dans la couche intrinsèque, et leur facteur de forme reste inférieur à 60%. La comparaison

expérimentale avec une structure à émetteur en face avant a été réalisée avec les mêmes

empilements, cependant celle-ci ne souffre pas des problèmes de conduction à travers le

silicium amorphe intrinsèque [Lu08]. La variation de conduction du a-Si:H(i) en fonction de

l‟éclairement et/ou du taux d‟injection pourrait expliquer son comportement différent selon

qu‟il est situé sur la face avant (éclairée) ou sur la face arrière. Des résultats de simulation

montrent que la diminution de EG ou un léger dopage de la couche a-Si:H tampon permettrait

d‟obtenir de meilleurs facteurs de forme sur les cellules IBC Si-HJ [Lu08].


- 46 -

Le Tableau 7 présente un état de l‟art des performances des cellules Si-HJ à contacts

en face arrière. Il s‟agit de dispositifs réalisés expérimentalement sur des surfaces réduites (≤

10 cm2).

Tableau 7. Résultats expérimentaux des cellules Si-HJ à contacts en face arrière

Substrat

c-Si

Face

avant

Face

arrière

(émetteur)

Face

arrière

(BSF)

Vco

(V)

Jcc

(mA/

cm2)

FF

(%)

Rdt

(%) Qui ?

FZ type n

1 cm2

a-Si:H(i) +

OTC

a-Si:H (p) /

Al

a-Si:H

(n) / Al 602 26.7 73 11.8

IEC

[Lu07b]

a-Si:H (i/p)

/ Al

a-Si:H

(i/n) /

Al

691 35.0 36 8.5 IEC

[Lu07b]

FZ type p

1 cm2

Texturé

a-SiNx:H

Haute T°

a-Si:H(n) +

Al Al-BSF 580 37.0 65 13.9

HZB

[Stangl07]

CZ type p

6.25 cm2

Texturé

a-Si:H(i) +

a-SiNx:H

Basse T°

a-Si:H (i/n)

/ CrSi / Al

a-Si:H

(i/p) /

CrSi /

Al

695 35.3 61 15.0

ENEA-

ECN

[Tucci07]

Pour la passivation de la face avant, une solution simple consiste à utiliser un

empilement de deux couches de caractéristiques distinctes [Lu07b][Tucci07]. Une première

couche d‟a-Si:H (i) permet de passiver la surface du substrat c-Si. La deuxième couche,

servant d‟anti-reflet, doit être déposée à basse température (SiNx:H, OTC). Cet empilement

n‟est pas idéal, dans la mesure où comme sur les cellules Si-HJ classiques, la couche a-Si:H

en face avant absorbe une partie du rayonnement incident. La structure RECASH utilise,

quant à elle, un unique dépôt de a-SiNx:H déposé au tout début du procédé de fabrication, à

une température élevée. Un Jcc de 37 mA.cm-2

est obtenu, ce qui montre que cette couche est

optimisée aussi bien du point de vue optique que pour la passivation de surface. En revanche,

comme elle est fabriquée à haute température, cette étape doit se dérouler au tout début du

procédé. Des problèmes de contamination peuvent alors apparaître lors des étapes de

nettoyage [Stangl07].

ÉTAT DE L’ART Conclusions

- 47 -

Conclusions

Cet état de l‟art nous a d‟abord permis de présenter les bases du fonctionnement des

cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Les notions d‟absorption du rayonnement et de

recombinaisons de porteurs, nécessaires à la compréhension de ces dispositifs, ont été

détaillées.

De nombreux paramètres, théoriques et technologiques, limitent le rendement des

cellules solaires en c-Si. Il existe différentes manières de surmonter ces limites

technologiques. Une première méthode, suivie par l‟UNSW, a consisté à optimiser le

dispositif à l‟aide de procédés issus de la micro-électroniques. Des rendements de 25% ont

ainsi été obtenus sur des cellules de 4 cm2.

Deux autres approches, plus industrielles, ont été développées par les firmes Sanyo et

SunPower Corp. La première utilise l‟hétérojonction a-Si:H / c-Si (Si-HJ), tandis que la

seconde réalise des structures à contacts en face arrière interdigités (IBC). Ces deux

approches, détaillées dans cet état de l‟art, permettent l‟obtention de rendements de

conversion de 23% sur des substrats de grande taille (≥ 100 cm2).

La combinaison de ces deux structures permet théoriquement d‟atteindre des

rendements supérieurs à 25 %, sur des substrats de grande taille. Seuls quelques laboratoires

ont commencé à s‟intéresser à ce sujet depuis l‟année 2007. La faisabilité expérimentale des

cellules Si-HJ IBC a été prouvée sur des substrats de taille réduite (≤ 10 cm2). Ces dispositifs

sont jusqu‟à maintenant limités par une valeur de FF faible, particulièrement dans le cas où

une couche tampon est utilisée en face arrière.

- 48 -

- 49 -

MATERIEL ET MÉTHODES EXPERIMENTALES

Ce chapitre concerne les différents équipements et méthodes utilisés pour la

fabrication, la caractérisation, et la modélisation des cellules solaires Si-HJ IBC. Le Tableau 8

résume les matériaux et paramètres caractérisés dans cette étude ainsi que les méthodes de

caractérisations associées. Seules les plus utilisées sont présentées dans ce chapitre. Des

informations complémentaires sur les mesures SIMS, AFM, MEB, FTIR et TIR peuvent être

trouvées respectivement dans les références [Bubert02], [Giessibl03], [Goldstein03],

[Griffiths07] et [Kaminski98].

Tableau 8. Matériaux et paramètres caractérisés pour cette étude

Matériaux /

Dispositifs Paramètres Caractérisation

Couches minces

(a-Si:H, a-SiNx:H,

a-SiCx:H, ITO,

métaux)

Conductivité Mesure de conductivité sur verre

Méthode 4 pointes

Composition Spectroscopie de masse d‟ions secondaires

(SIMS)

Liaisons Spectroscopie Infra-Rouge à Transformée de

Fourier (FTIR)

Transmission optique Spectrophotométrie

Couches minces

sur c-Si

Épaisseur Ellipsométrie

Passivation de surface Mesures de durée de vie effective

Métal / a-Si:H /

c-Si Résistivité de contact Mesure TLM

Dépôts localisés

sur c-Si

Conformité

Profilométrie, Microscope à Force Atomique

(AFM), Microscope Électronique à Balayage

(MEB)

Passivation de surface Cartographies en durée de vie effective

Cellules PV

Rendement J-V sous éclairement

Pertes résistives J-V sous obscurité, SunsVoc, Thermographie

Infra-Rouge (TIR)

Pertes optiques Réponse spectrale, cartographies en

photocourant

MATÉRIEL&MÉTHODES 1.Fabrication de cellules solaires à hétérojonctions silicium

- 50 -

1. Fabrication des cellules solaires à hétérojonctions silicium

1.1 Dépôts de couches minces a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H

Les couches minces (≥ 5 nm) a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H réalisées dans cette étude

sont fabriquées à l‟aide d‟un équipement de dépôt chimique en phase gazeuse (Chemical

Vapor Deposition ou CVD). Cette technique est très répandue pour déposer des films minces

à la surface d‟un substrat à partir de précurseurs gazeux. Ceux-ci interagissent dans une

enceinte de dépôt (Figure 17) et produisent des espèces réactives qui sont adsorbées sur le

substrat. Un dépôt de matière cristalline, poly-cristalline ou amorphe peut être réalisé en

fonction des conditions expérimentales utilisées, par exemple la pression et la température

dans l‟enceinte du dépôt.

Figure 17. Principe du dépôt chimique en phase vapeur.

L‟énergie nécessaire à l‟apparition des espèces réactives peut être fournie par un

filament chaud (Hot Wire CVD) ou par un Plasma (Plasma Enhanced CVD). C‟est avec cette

dernière technique que l‟on a réalisé les dépôts des couches a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H dans

cette étude. Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) est le

plus répandu pour la fabrication des cellules Si-HJ. Le principe de cette technique de dépôt

repose sur l‟apport d‟énergie électrique à un mélange gazeux par l‟intermédiaire de deux

électrodes. La dissociation des molécules de gaz est permise par l'application entre la cathode

et l'anode d'une tension, fournie par un générateur à puissance variable. Un plasma (mélange

de molécules ionisées ou non) est ainsi créé.

La tension appliquée peut être continue mais en général, et dans le cas de notre étude,

il s‟agit d‟une tension alternative radio-fréquence (13.56 MHz) ou basse fréquence (40 kHz).

L‟impédance du plasma est plutôt faible et surtout variable en fonction des conditions de


- 51 -

dépôt. Afin de transférer au maximum la puissance du générateur au plasma, il est nécessaire

d‟adapter l‟impédance du plasma à celle du générateur. Ceci se fait par l‟intermédiaire d‟un

adaptateur d'impédance ou réseau d'accord. Un réacteur PECVD doit permettre de contrôler

les différents processus du dépôt :

Réactions des gaz précurseurs provoquant l‟apparition d‟espèces réactives

Transport des espèces réactives vers le substrat

Interaction des espèces réactives entre elles et avec le substrat (adsorption)

Croissance du film grâce aux espèces adsorbées

Arrangement de la couche et désorption des produits de la réaction

Les couches a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H utilisées dans le cadre de cette thèse sont

déposées dans un réacteur de type PLASMA Box développé par BALZERS. Ce système

breveté [Schmitt92] permet le confinement du plasma dans un réacteur placé à l'intérieur

d'une enceinte à vide. Pendant les dépôts, le réacteur est donc en surpression par rapport à

l‟enceinte. Ceci permet d'éviter les contaminations provenant du dégazage des parois froides

de l‟enceinte. De plus, la température dans le volume de la boîte à plasma est constante et

uniforme. Le plasma créé permet le dépôt de matériau sur un substrat recouvrant l‟anode (voir

Figure 18). Le réacteur "Plasma Box" est constitué des pièces suivantes :

Une enceinte reliée électriquement à la masse

La boîte à plasma et la bride de pompage reliés électriquement à la masse

Le porte-substrat, qui ferme la boîte à plasma, relié électriquement à la masse

La cathode

La douche d'injection des gaz au potentiel RF

Figure 18. Schéma d’un réacteur de type "Plasma Box"

Gaz RF

Pompage Plasma

Box

Pompage enceinte

Résistances chauffantes

Isolation

thermique Cathode

Substrat

Plasma Box

Enceinte

PLASMA PLASMA


- 52 -

Afin d‟obtenir une surface du substrat libre de tout oxyde natif, les plaques de c-Si

subissent une trempe de 30 s dans un bain de BOE dilué à 7% (HF tamponné) avant

l‟introduction dans le réacteur. Le temps de transfert entre ce nettoyage et la mise sous vide de

l‟échantillon doit être réduit (quelques minutes au maximum) afin de prévenir toute nouvelle

formation d‟oxyde natif en surface. Pour obtenir des couches a-Si:H de type n ou p, on

introduit respectivement de la Phosphine (PH3) ou du TriMéthylBore (TMB). Dans cette

étude tous les dépôts a-Si:H sont réalisés dans la même chambre PECVD quel que soit leur

dopage. Afin d‟éviter les problèmes de contamination entre les différents types de dépôts

[Iencinella05], un nettoyage de la chambre est réalisé après chaque série de dépôt utilisant un

type de dopants. Un pré-dépôt de couche de a-Si:H non dopé est également effectuée avant

toute nouvelle série de dépôts. Les principaux mécanismes aboutissant au dépôt PECVD de

silicium amorphe hydrogéné sont rassemblés sur la Figure 19.

Figure 19. Principaux mécanismes physico-chimiques dans un plasma de Silane pour le

dépôt de a-Si:H [Roca i Cabarrocas88]

1.2 Dépôts d’ITO et contacts métalliques

Dans notre étude, des couches conductrices de différents matériaux (ITO, Al, Ti, Pd)

ont été déposées par pulvérisation cathodique radio-fréquence. Cette technique est très

répandue car elle permet un dépôt de matière rapide et peu coûteux. La forte énergie des ions

pulvérisés entraîne également une meilleure adhésion des couches par rapport à la méthode

d‟évaporation. Son principe consiste à bombarder une cible solide avec un plasma d‟ions

argon. Les atomes éjectés de la cible réagissent éventuellement avec des réactifs présents dans

Réacteur

• Pression

• Température

• Géométrie

• Puissance

Injection

des gaz

Pompage

PLASMA

Réactions primaires

Collisions e-/SiH4

Espèces chargées

(ions)

H+ ; H- ; H2+

Si+; Si-

SiH+; SiH-

SiH2+; SiH2-

SiH3+; SiH3-

Espèces neutres

(radicaux)

H

Si

SiH

SiH2

SiH3

Réactions

secondaires

SiH4

SiHnHm

Substrat

GAINE

Diffusion

Désorption (H2, SiH4…), gravure,

émission d’e- secondaires,…

Ionisation Dissociation

Dérive

Bombardement ionique


- 53 -

l‟enceinte et se déposent ensuite sur le substrat. Les paramètres les plus influents sont donc la

composition de la cible ainsi que la puissance, la pression, la température et le flux de gaz

précurseurs pendant le dépôt.

Lors du dépôt d‟ITO, le flux d‟O2 ajouté est un paramètre particulièrement important.

En effet la concentration d‟atomes d‟Oxygène dans ce matériau influence fortement sa

conductivité et sa transparence. La pulvérisation de l‟ITO peut cependant endommager la

surface des couches sur lesquelles il est déposé [Damon-Lacoste07]. Dans le cas de couches

a-Si:H ultra-minces, il existe alors un risque de dégrader ou de court-circuiter ces couches.

L‟ITO utilisé dans notre étude est recuit à 200°C pendant 20 min afin d‟améliorer ses qualités

optiques et électriques.

Sur la face arrière des cellules Si-HJ standard, un dépôt de métal (Al) de 500 nm à 1

µm suffit généralement pour collecter les charges et confiner les rayons IR dans le substrat.

Dans le cas des structures à contacts en face arrière, les électrodes sont localisées donc leur

épaisseur doit être augmentée en fonction de la surface des cellules.

1.3 Grille de contact en face avant

La grille de contact en face avant des cellules photovoltaïques standard est réalisée par

un dépôt localisé de métal. Les cellules de laboratoire utilisent généralement un procédé

d‟évaporation à travers un masque métallique ou un masque de lift off. Au niveau industriel,

le procédé de sérigraphie est plus adapté, et c‟est celui que nous utilisons dans cette étude sur

les cellules Si-HJ standard et à émetteur inversé.

La méthode de sérigraphie consiste à déposer une encre localement (à travers un

écran) sur un substrat. L‟encre déposée, épaisse de 15 à 20 µm, reproduit le motif de l‟écran

(Figure 20). Les paramètres les plus importants concernant la conformité et l‟épaisseur du

dépôt sont la viscosité de l‟encre, la vitesse de la racle, la pression appliquée sur l‟écran ainsi

que la distance entre l‟écran et le substrat (« snap-off »).

Figure 20. Principe du dépôt d’encre par sérigraphie

Substrat

Vitesse

Pression

Snap Off

Émulsion

Encre

Substrat

Vitesse

Pression

Snap Off

Émulsion

Encre

SubstratSubstratSubstratSubstrat

Vitesse

Pression

Snap Off

Émulsion

Encre

Substrat

Vitesse

Pression

Snap Off

Émulsion

Encre

SubstratSubstratSubstrat


- 54 -

Pour les cellules Si-HJ, l‟encre utilisée doit être recuite à basse température (≤ 200°C)

pour ne pas détériorer les couches amorphes. Cette encre « basse température » est moins

dense, et donc moins conductrice, que les encres recuites à haute température. Pour pallier à

ce problème, on peut déposer l‟encre plusieurs fois successivement au même endroit pour

augmenter l‟épaisseur totale de la grille. Un procédé d‟alignement optique est alors nécessaire

pour déposer le métal au même endroit à chaque impression.

Dans cette étude, nous utilisons un procédé de reconnaissance optique de mires

gravées au LASER. Pour nos cellules de 25 cm2, une épaisseur de 30 à 40 µm de métal

sérigraphié est nécessaire pour éviter les pertes par résistance série dans la grille. Trois

impressions successives sont utilisées pour atteindre ces épaisseurs. Après chaque impression

un recuit de quelques minutes en étuve à 150°C est nécessaire afin d‟évaporer les solvants et

densifier l‟encre.

1.4 Découpe des cellules

Les cellules solaires fabriquées dans le cadre de cette étude sont découpées à l‟aide

d‟un LASER, dans les substrats de diamètre 10 cm. La gravure LASER permet d‟entailler le

substrat selon un motif souhaité (ici un carré de 5 cm de côté) qu‟il faut alors cliver à la main.

L‟outil utilisé est un LASER de type YAG fonctionnant à la longueur d‟onde de 1064 nm.

MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions

- 55 -

2. Méthodes de caractérisation

2.1 Caractérisation des couches minces

2.1.1 Propriétés de conduction

La conductivité d‟un matériau est égale à l‟inverse de sa résistivité, et s‟exprime en

(Ohm.cm)-1

ou en S.cm-1

. Ce paramètre macroscopique dépend selon l‟équation (25) de la

mobilité et du nombre de porteurs libres. Ces deux grandeurs sont en compétition si l‟on

cherche à augmenter la conductivité à l‟aide d‟impuretés dopantes.

Nq (25)

Avec: σ: Conductivité (Ohm.cm)-1

N: Nombre de porteurs libres (cm-3

)

q: Charge élémentaire (C)

µ: Mobilité des porteurs majoritaires (cm² V-1

s-1

)

Pour des matériaux de conductivité faible (≤ 1x10-3

S.cm-1

), il est nécessaire de réaliser

un dispositif spécifique pour mesurer cette grandeur. Ce dispositif consiste en deux électrodes

métalliques déposées sur le matériau à mesurer, d‟épaisseur connue. Pour une couche mince

déposée, comme c‟est le cas avec le a-Si:H et les OTC, il est nécessaire de réaliser le dépôt

sur un substrat isolant, comme le verre Corning, afin de ne pas fausser les mesures. La Figure

21 montre schématiquement le dispositif de mesure de conductivité d‟une couche a-Si:H. Sur

ce dispositif, la hauteur des plots de métal doit être proche de 100 nm et leur largeur

supérieure à 500 nm afin de faciliter la pose des pointes de mesure.

Figure 21. Dispositif utilisé pour la mesure de conductivité du a-Si:H

La conductivité du matériau est déduite de la mesure de résistance entre les

électrodes. Pour cela, on détermine la caractéristique I-V, où R=V/I est l‟inverse de la pente

de la droite obtenue. Cette mesure peut se faire indifféremment sous obscurité ou sous un


- 56 -

faible éclairement lorsque les couches sont fortement dopées. En revanche, pour les couches

non dopées, l‟excitation lumineuse augmente la photoconductivité du matériau. Des mesures

distinctes doivent alors être menées à l‟obscurité et sous éclairement. En supposant la

résistance de contact négligeable devant celle de la couche, la relation entre σ et R est donnée

par la relation (26).

Rhe

d (26)

Avec : σ: Conductivité (Ohm.cm)-1

d: Distance entre les électrodes (cm)

R: Résistance entre les électrodes (Ohm)

e: Épaisseur du matériau à mesurer (cm)

h: Largeur des électrodes (cm)

Lorsque la conductivité du matériau est élevée (supérieure à 1x10-3

S.cm-1

), sa mesure

peut également se faire par la méthode quatre pointes. Ainsi les OTC utilisés en face avant des

cellules Si-HJ standard ainsi que certains a-Si:H (n) sont caractérisés par cette méthode ne

nécessitant pas le dépôt d‟électrodes métalliques. Des mesures de conductivité en fonction de

la température permettent également d‟obtenir l‟énergie d‟activation du dopage. La valeur de

cette énergie est approximativement égale à la différence entre le niveau de Fermi et celui de

la bande de conduction du matériau de type n (celui de la bande de valence pour un matériau

de type p).

2.1.2 Épaisseur: ellipsométrie

La mesure d‟ellipsométrie permet de caractériser des films minces de manière non

destructive et sans contact. Cette technique repose sur la mesure du changement de

polarisation d‟un rayonnement monochromatique après réflexion sur un empilement de

matériaux. Il faut noter que cette mesure nécessite une planéité parfaite du substrat et est donc

impossible à réaliser sur substrats texturés. Les échantillons sont constitués d‟un substrat plan

(verre Corning ou c-Si) recouverts par la ou les couches à caractériser. La Figure 22 montre le

schéma d‟un ellipsomètre constitué d‟une source, d‟un polariseur, d‟un analyseur et d‟un

détecteur, comme celui utilisé dans notre étude. Pour disposer de données suffisantes, la

mesure doit être effectuée sur une plage assez étendue de longueurs d‟ondes à un angle

d‟incidence donné. Le logiciel Delta Psi 2 de la société Jobin-Yvon permet ensuite de faire

correspondre les mesures expérimentales avec des modèles en ajustant les paramètres des

matériaux.


- 57 -

Figure 22. Schéma de principe d’un ellipsomètre [Fourmond02]

L‟onde incidente provenant de la source est d‟abord polarisée, puis réfléchie

partiellement à la surface de l‟échantillon. Le champ électrique des ondes incidentes et

réfléchies peut être caractérisé par deux composantes, l‟une parallèle (Ep), et l‟autre

perpendiculaire (Es) au plan d‟incidence. La modification du champ électrique après réflexion

sur l‟échantillon peut être quantifiée par deux coefficients, rp et rs, concernant chacune des

composantes du champ (relations (27) et (28)).

)jexp(rE

Er pp

)incidente(p

)réfléchie(pp (27)

)jexp(rE

Er ss

)incidente(s

)réfléchie(ss (28)

Les deux coefficients rp et rs sont complexes. Leur module |r| représente la

modification apportée à l‟amplitude de la composante du champ, et leur phase , le retard

introduit par la réflexion. En pratique, la quantité mesurée est le rapport de ces deux

coefficients, qui s‟exprime sous la forme (29).

)jexp(tanr

r

s

p (29)

En connaissant avec précision la valeur de l‟angle d‟incidence θ, il est alors possible

de déterminer la valeur de la fonction diélectrique de l‟échantillon mesuré par l‟équation (30).

)(i)()tan)1

1(1(sin)( 21

22 (30)


- 58 -

Le modèle de Tauc-Laurentz est bien adapté au calcul de la fonction diélectrique

d‟échantillons a-Si:H [Jellison96] [Jellison00]. Selon ce modèle, la partie réelle de la fonction

diélectrique ε1 s‟obtient généralement par une intégration de Kramers-Kronig avec ε1(∞) ≈ 1

[Damon-Lacoste07]. Le paramètre ε2 peut quant à lui s‟exprimer en fonction de l‟énergie à

l‟aide des paramètres de l‟équation (31) (non valable dans les infrarouges). Nos mesures se

font en général de 1.5 à 5 eV.

2222

02

2g0

EC)EE(

)EE(CAEx

E

1 si E > Eg

)E(2

0 si E ≤ Eg

(31)

Ce modèle permet donc une détermination assez précise de Eg, A (densité du matériau)

et C (paramètre de « désordre ») [Jellison00]. E0 représente l‟énergie pour laquelle les

transitions électroniques dans le matériau sont les plus probables. Une échelle de valeurs pour

ces différents paramètres est donnée dans le Tableau 9.

Tableau 9. Valeurs standard pour les paramètres du modèle de Tauc-Lorentz

appliqué aux couches a-Si:H [Damon-Lacoste07]

Paramètre (eV) Eg A E0 C

Valeur minimale 1.5 170 3.5 2

Valeur maximale 1.85 230 3.7 2.5

2.1.3 Propriétés de passivation de surface: durée de vie effective

La durée de vie effective (τeff) des porteurs dans un substrat c-Si dépend des

phénomènes de recombinaison en surface et dans le volume du semi-conducteur. La valeur de

τeff peut être mesurée expérimentalement par des techniques de mesure de décroissance de la

photoconductivité ou PCD (Photo-Conductivity Decay). Le principe de cette mesure,

développée dès 1955 [Stevenson55], repose sur une très courte excitation lumineuse (flash) du

semi-conducteur. Les porteurs en excès créés par cette excitation font varier la conductivité

du matériau selon la relation (32).


- 59 -

)(nq pn (32)

Avec: Δn: Densité de porteurs en excès (cm-3

)

µn et µp: Mobilités des électrons et des trous (cm² V-1

s-1

)

q: Charge élémentaire (C)

Après le flash lumineux, la densité de porteurs en excès (ou niveau d‟injection) décroît

jusqu‟à revenir au niveau de dopage du substrat. En prenant en compte la dépendance de la

mobilité des porteurs avec le niveau de dopage, on peut déterminer Δn pour chaque valeur de

Δσ mesurée. En supposant une photogénération G(t) et une durée de vie uniformes dans le

volume, la concentration des porteurs peut être considérée comme étant spatialement

uniforme. La durée de vie effective τeff peut alors se calculer à partir de l‟expression

(33) [Nagel99].

dt

)t(nd)t(G

)t(n)n(eff

(33)

Deux méthodes de mesure de durée de vie effective sont utilisées dans le cadre de nos

travaux. Ces deux méthodes diffèrent principalement par le mode de mesure de la

photoconductivité, et sont menées sur deux appareils différents. La première méthode est

basée sur l‟interaction entre une excitation micro-onde et le semi-conducteur [Kunst86]. La

réflexion des micro-ondes dépend du niveau d‟injection dans le substrat mais de manière non-

linéaire. Cette technique ne permet donc pas de déterminer la durée de vie en fonction du

niveau d‟injection. La décroissance de la conductivité après l‟excitation micro-onde est ici

définie par la relation (34).

)t

exp1()t(eff

0 (34)

Dans cette étude, un appareil de marque Semilab est utilisé avec une excitation

lumineuse (diode laser) émettant à une longueur d‟onde de 904 nm pour une densité de

puissance de 1320 W.cm-2

. Ceci correspond à des conditions de forte injection dans la mesure

où l‟excédent initial de porteurs est supérieur à 1x1017

cm-3

[Dubois07]. L‟avantage de cette

technique réside dans la possibilité de localiser l‟excitation micro-onde. Ainsi des

cartographies en durée de vie d‟une résolution inférieure à 100 µm peuvent être réalisées avec

cet appareil. Ceci est particulièrement intéressant pour l‟étude d‟inhomogénéités dans le c-Si

(particulièrement pour les matériaux multi-cristallins) ou dans la passivation de surface. Cette

méthode est notée µW(micro-waves )-PCD.

La seconde méthode utilise un couplage inductif (Inductively Coupled ou IC-PCD) et

permet de mesurer la variation de photoconductivité d‟un matériau au cours du temps


- 60 -

[Sinton96]. En connaissant la dépendance de la mobilité des porteurs avec le niveau de

dopage, il est alors possible d‟obtenir l‟évolution de τeff en fonction du niveau d‟injection (ID-

LS ou Injection Dependant – Lifetime Spectroscopy). L‟analyse de cette évolution permet, à

partir de modèles analytiques, de déterminer la densité d‟états et de charges à l‟interface

[Olibet07] [Garin07] ainsi que les mécanismes parasites [Chen07]. Dans le cadre de nos

travaux, l‟appareil WCT100 (Sinton Consulting) a été utilisé principalement dans le mode

« generalized ». Ce mode d‟analyse permet une mesure de photoconductance dans le mode

transitoire ou quasi-stationnaire en ajustant la décroissance du flash. Les mesures à forts taux

d‟injection (mode quasi-stationnaire ou QSS pour Quasi-Steady State) se font alors avec une

grande constante de temps (1/1) et celles à faible taux d‟injection mode transitoire, avec une

faible constante de temps (1/64).

Le mode « Generalized » étend les plages de mesure des modes transitoire et QSS tout

en limitant leurs approximations, dues par exemple à la photogénération non uniforme en

surface du wafer [Nagel99]. Dans notre étude, la valeur de Vco implicite sous un soleil

(Vco_impl@1sun) est également déterminée par la mesure IC-PCD. Cette valeur permet

d‟évaluer la qualité des précurseurs de cellules avant leur métallisation. Pour un substrat de

type p, la Vco implicite est liée à la densité de porteurs libres photogénérés par la relation (35)

[MacDonald01].

)n

)nN(nln(

q

kTV

2

i

A

impl_co (35)

2.1.4 Vitesse de recombinaison de surface, courant de saturation de l’émetteur

Dans un monocristal de silicium de bonne qualité, les phénomènes de recombinaison

de surface dominent par rapport aux recombinaisons volumiques, et ce d‟autant plus que

l‟épaisseur du substrat est faible [Aberle00]. La relation entre τeff et les contributions du

volume et des surfaces est exprimée par l‟équation (36) [Dauwe04]). Cette relation est valable

pour une même vitesse effective de recombinaison (Seff) sur les deux faces du substrat.

W

S211 eff

volumeeff

(36)

Avec: τeff : Durée de vie effective (s)

τvolume : Durée de vie volumique (s)

Seff : Vitesse effective de recombinaison en surface (cm.s-1

):

W: Épaisseur du substrat (cm)


- 61 -

L‟équation (36) est en fait, une approximation valable pour une génération homogène

dans le volume. Cette condition est permise par l‟utilisation de substrats avec une grande

durée de vie volumique [Granek07], ce qui est le cas dans notre étude. En effet des substrats

c-Si FZ type n de haute qualité et de résistivité 1-5 Ohm.cm sont ici utilisés. Afin d‟obtenir

une limite haute de Seff sur ces substrats, une valeur de τvolume égale à 5 ms, constante en

fonction du niveau d‟injection, a été retenue. Cette limite haute de Seff sous un soleil est

ensuite utilisée pour comparer les différentes couches de passivation réalisées. Pour obtenir la

valeur absolue de Seff, un paramétrage plus précis de τvolume en fonction du niveau d‟injection

doit être utilisé [Kerr02a].

Les valeurs de Seff sont utiles pour évaluer la passivation des surfaces dans les zones

de BSF [Sawada94] [Dauwe02] ou de FSF [Granek07]. Pour caractériser les recombinaisons

dans la zone d‟émetteur, il est préférable d‟utiliser la notion de courant de saturation J0e

[Kane85]. La détermination du J0e à partir de mesures ID-LS a été d‟abord développée pour

des émetteurs diffusés thermiquement [King91]. Le J0e calculé dans ce cas, concerne les

recombinaisons dans la région diffusée et à sa surface. Il peut être relié à une valeur de durée

de vie correspondant aux recombinaisons dans l‟émetteur par l‟équation (37) [MacDonald01].

)nN(J

Wqn

Ae0

2i

émetteur (37)

Dans le cas d‟une hétérojonction silicium, le J0e représente les recombinaisons à

l‟interface a-Si:H/c-Si et dans le volume de l‟émetteur a-Si:H. Cette grandeur peut donc être

utilisée pour comparer les recombinaisons dans différents types d‟émetteurs a-Si:H. Dans un

substrat à haute durée de vie, à fort niveau d‟injection (Δn>>Ndopage) les recombinaisons SRH

et radiatives peuvent être négligées. La contribution de l‟émetteur et les phénomènes Auger

dominent alors les mécanismes de recombinaison [Cuevas99].

En prenant en compte les recombinaisons Auger, il est possible d‟extraire la valeur du

J0e à partir de l‟inverse de τeff en fonction du niveau d‟injection. En effet, d‟après l‟équation

(38), le J0e est directement proportionnel à la droite résultante [Granek07].

Wqn

nJ21112

i

e0

SRHAugereff

(38)

La feuille de calcul fournie avec l‟appareil de mesure Sinton permet de déterminer le

J0e à partir des mesures de durée de vie effectuées, à l‟aide de l‟équation (38). Ce paramètre

peut ensuite être utilisé pour caractériser et comparer la qualité de différents émetteurs.


- 62 -

2.1.5 Résistivité spécifique de contact (méthode TLM)

La prise de contact sur une cellule solaire peut générer des pertes par résistance série,

au contact, et dans les métallisations. La méthode TLM (« Transmission Line Method »)

permet de déterminer la résistance spécifique de contact [Schockley64]. Pour cela, un

dispositif comprenant une série de plots métalliques déposés à des distances variables sur la

couche à contacter est nécessaire. La Figure 23 montre schématiquement la géométrie d‟un tel

dispositif [Meier84].

Figure 23. Dispositif de mesure TLM

Des mesures de résistance entre les différents contacts sont effectuées avec la méthode

des quatre pointes qui permet de s‟affranchir des résistances externes (pointes, circuit…). En

supposant la résistance carrée de la couche constante entre les plots et sous ces plots (cas de

contacts non-alliés), et en considérant négligeable la résistance des plots métalliques, la

résistance R mesurée entre 2 plots est donnée par la relation (39).

csh R2Z

XRR (39)

Avec: R: Résistance mesurée entre 2 plots (Ω)

Rsh: Résistance par carré de la couche contactée (Ω/carré)

X: Distance entre les plots (µm)

Z: Hauteur des plots (µm)

Rc: Résistance de contact (Ω)

La droite représentant la résistance mesurée en fonction de la distance entre les plots

(Figure 24) est caractérisée par son coefficient directeur (a) et son ordonnée à l‟origine (b).

Elle permet donc de déterminer la résistance par carré de la couche à contacter (Rsh = aZ) et

la résistance du contact (Rc = b/2).


- 63 -

Figure 24. Résistance mesurée en fonction de la distance entre les plots pour la

détermination de la résistance de contact par la mesure TLM

Afin d‟obtenir la résistance spécifique du contact (ρc), il est nécessaire de prendre en

compte la « longueur de transfert » (LT) du courant sous le contact, c'est-à-dire la surface

réellement utilisée par le contact pour collecter le courant. En effet, dans certains cas LT peut

être inférieure ou égale à la longueur réelle L des plots métalliques. Ceci dépend de la

résistivité du contact et de la conductivité de la couche à contacter. Rc dépend de LT par la

relation (40). Cette relation est valable pour Z>>L (voir Figure 23), une résistance série du

contact négligeable et un flux de charges latéral [Schröder84].

)L

Lcoth(R

Z

LR

T

shT

c (40)

La valeur de ρc se déduit alors de la valeur de LT obtenue en utilisant l‟équation (41).

sh2

Tc RL (41)

La valeur réelle de LT ne pouvant pas dépasser L, si on obtient LT(calculée) > L, il faut

remplacer la valeur de LT calculée par celle de L. Pour une application à des cellules Si-HJ, la

mesure TLM est particulièrement adaptée pour déterminer ρc entre un OTC et un métal. En

revanche, l‟étude du contact sur une couche de a-Si:H dopé est moins évidente dans la mesure

où la couche à contacter est alors très résistive (R/carré > 108 Ω/carré]. Afin de pouvoir

effectuer les mesures TLM sur ces couches a-Si:H dopées, il est nécessaire qu‟elles soient

déposées sur un substrat c-Si de même conductivité. La conduction latérale des porteurs dans

le dispositif peut alors être assurée par le substrat. La valeur de résistance mesurée dépend

alors des contributions suivantes :

1/ Rcontact (Métal / a-Si:H)

2/ R (a-Si:H)

3/ Rcontact (a-Si:H / c-Si)


- 64 -

Cependant, ces différentes contributions se retrouvent dans la cellule au niveau du

BSF. Pour comparer des couches amorphes utilisées comme BSF, on peut donc utiliser les

valeurs de ρc obtenues par la mesure TLM. Ces valeurs apportent une indication relative sur la

résistance série occasionnée par le BSF.

2.1.6 Transmission, réflexion et absorption

Le courant de court-circuit d‟une cellule solaire à hétérojonction dépend quasi-

exclusivement du nombre de photons absorbés dans la base c-Si. Pour que le maximum de

photons incidents soit absorbé dans cette base, il est donc nécessaire d‟optimiser la cellule au

niveau optique. Pour cela plusieurs paramètres sont à prendre en compte:

La transmission des photons dans les couches exposées au rayonnement

La réflexion du rayonnement sur la face avant (exposée au rayonnement)

La réflexion interne du rayonnement sur la face arrière

Les mesures de réflexion (R), absorption (A), et transmission (T) des couches minces

sont effectuées sur un spectrophotomètre pour des longueurs d‟ondes de 300 à 1200 nm. Cette

plage correspond à la partie du spectre solaire sur laquelle fonctionnent les cellules c-Si. Afin

de déterminer les paramètres R, T, A d‟un matériau, il est nécessaire de le déposer sur un

substrat de verre (Corning) dont on connaît les caractéristiques optiques. L‟utilisation d‟une

sphère intégrante avec différentes configurations (Figure 25) est nécessaire pour ces mesures.

Figure 25. Schéma de la sphère intégrante en mode mesure de réflectivité [Fourmond02]

La sphère intégrante possède un revêtement intérieur qui réfléchit la lumière à plus de

99% dans le domaine de longueur d‟ondes considéré. La quasi-totalité du rayonnement est

réfléchi par l‟échantillon et atteint le photodétecteur disposé à la verticale de la sphère. Le

signal de cette photodiode est converti en tension puis filtré à l‟aide d‟une détection

synchrone qui rejette les bruits parasites (lumière, électricité…).


- 65 -

À partir des valeurs de R, T, A mesurées, il est alors possible de déterminer la loi

d‟indice (n, k) du matériau. Le logiciel Optilayer® permet ensuite de modéliser différentes

épaisseurs et empilements de couches, et calculer le R, T, A de ces empilements sur c-Si.

L‟analyse de l‟absorption du matériau en fonction de la longueur d‟onde peut également

permettre de déterminer son gap optique, d‟après la loi de Tauc [Tauc74]. En pondérant les

valeurs de R, T, ou A par rapport à l‟irradiance du spectre solaire à l‟aide de l‟équation (42), il

est possible de définir les valeurs effectives de ces paramètres.

d)(S

d)(S)(RReff (42)

Avec: Reff : Réflectivité effective (%)

R(λ): Réflectivité (%)

S(λ): Spectre solaire AM1.5 (photons.m-2

.µm-1

.s-1

)

2.2 Caractérisation des cellules solaires

2.2.1 Paramètres électriques de la cellule solaire

Les paramètres électriques caractérisant le rendement de conversion d‟une cellule PV

sont déduits de sa caractéristique courant-tension ou I-V sous éclairement (voir: État de

l‟art §1.2.3). Cette mesure est effectuée dans un simulateur solaire où la cellule est exposée à

un éclairement comparable à celui du soleil. Afin de pouvoir comparer les cellules de taille

différente, on utilise souvent la densité de courant (J en mA.cm-2

) plutôt que le courant total

débité par la cellule. La mesure J-V sous éclairement permet de déterminer les valeurs

suivantes, caractéristiques d‟une cellule solaire :

Jcc : Densité de courant de court-circuit (mA.cm-2

)

Vco: Tension de circuit ouvert (V)

FF: Facteur de forme (%)

η: Rendement de conversion (%)

La mesure J-V à l‟obscurité est également utile pour analyser le fonctionnement d‟une

cellule solaire. Il est possible dans la plupart des cas, de modéliser une cellule solaire à

l‟obscurité par un schéma électrique équivalent comprenant deux diodes D1 et D2 en parallèle

(Figure 26). La première diode correspond aux phénomènes de diffusion dans les zones

neutres (base et émetteur). La seconde diode permet de modéliser la génération /

recombinaison et les effets tunnels dans la zone de charge d‟espace (ZCE). I01 et I02 sont les

courants de saturation de chaque diode, n1 et n2 leur facteur d‟idéalité. Les courants de fuite,

pouvant exister sur les bords de la cellule ou à travers l‟émetteur, sont modélisés par une

résistance parallèle Rp qui doit être la plus élevée possible. Une résistance série Rs modélise


- 66 -

les pertes résistives dans la structure (base et émetteur), les résistances de contact aux

interfaces métal / semiconducteur et celles du métal à proprement parler.

Figure 26. Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque à l’obscurité

(Modèle à deux diodes)

La relation (43) permet alors de modéliser les courbes J-V sous obscurité en fonction

des différents paramètres. Pour modéliser le courant photogénéré sous éclairement, il suffit

d‟ajouter une source de courant inverse en parallèle des diodes. On peut noter que pour une

cellule solaire en silicium sous éclairement, les recombinaisons dans la ZCE sont souvent

négligeables par rapport à celles des zones neutres, un modèle à une seule diode peut alors

suffire.

p

s

2

s02

1

s01obsc

R

JRV)1

kTn

JRqV(expJ)1

kTn

JRqV(expJJ (43)

Avec: J01: Densité de courant de saturation des zones neutres (A.cm-2

)

n1: Facteur d‟idéalité de D1

J02: Densité de courant de saturation dans la ZCE (A.cm-2

)

n2: Facteur d‟idéalité de D1

Rs: Résistance série spécifique (Ohm.cm2)

Rp: Résistance parallèle spécifique (Ohm.cm2)

En ajustant les paramètres de ce modèle à deux diodes aux mesures J-V sous

obscurité, il est alors possible d‟obtenir des valeurs caractérisant les cellules mesurées. Pour

qu‟une cellule solaire atteigne des rendements élevés, il faut d‟abord que les courants de

saturation de ses diodes restent faibles (J01 ≤ 1x10-5

A.cm-2

et J02 ≤ 1x10-12

A.cm-2

). Les

valeurs courantes pour les facteurs d‟idéalités se situent vers l‟unité pour n1 et entre 2 et 3

pour n2. Pour limiter les pertes résistives, il est nécessaire que la valeur de résistance parallèle

soit élevée (Rp ≥ 104 Ohm.cm

2) et que celle de la résistance série soit inférieure à 1 Ohm.cm

2.

Pour la détermination de Rs, il peut être nécessaire de confronter les mesures J-V sous

éclairement et obscurité avec la pseudo courbe J-V déterminée au SunsVoc [Pysch07]. En

effet, les phénomènes de résistance série dans la cellule ne sont pas identiques selon qu‟elle

est sous éclairement ou sous obscurité.

RS

Rp V

D2 D1

I


- 67 -

2.2.2 Mesure SunsVoc

La mesure SunsVoc [Sinton00] permet de mesurer la Vco des cellules PV en fonction

de l‟éclairement. Elle est rapide dans la mesure où, comme pour la mesure IC-PCD, c‟est un

flash lumineux qui permet l‟excitation des porteurs. Il est cependant nécessaire de disposer de

contacts sur l‟émetteur et la base de la cellule pour effectuer cette mesure. Il est possible de

tracer une pseudo courbe J-V sous éclairement, et sous obscurité, à partir des mesures de Vco

mesurées. La tension de circuit ouvert des cellules sous un soleil peut donc en être extraite. La

pseudo courbe J-V sous éclairement donne également une valeur du facteur de forme ne

prenant pas en compte les pertes dues aux phénomènes de résistance série. Ce pseudo facteur

de forme (ou PFF) est donc uniquement limité par une trop faible valeur de la résistance

parallèle. Si le PFF est supérieur à 80%, on peut estimer que les phénomènes de court-circuit

sont négligeables dans la cellule.

À partir de la mesure de la Vco en fonction de l‟illumination, il est également possible

de calculer une valeur de τeff en fonction du niveau d‟injection [Kerr04]. En effet

l‟illumination peut être reliée au niveau d‟injection à l‟aide d‟une cellule de référence, tandis

que l‟équation (44) exprime τeff en fonction de la Vco. Cette relation est valable pour une

densité de porteurs uniforme dans le substrat. La détermination de τeff à partir de la méthode

SunsVoc permet théoriquement d‟explorer des niveaux d‟injection plus faibles que par IC-

PCD. Elle permet également d‟obtenir une valeur de τeff sur les dispositifs métallisés, ce qui

n‟est pas le cas avec la méthode IC-PCD [Sinton00].

)qW

nN(J

)kT

qV(expn

Aph

co2i

eff (44)

2.2.3 Réponse spectrale et cartographie en photocourant

La réponse spectrale (RS) permet d'évaluer le rendement quantique d'une cellule

solaire en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. Cette mesure consiste à

illuminer la cellule solaire avec un spot monochromatique que l'on fait varier dans la plage

d'absorption du matériau (entre 350 et 1150 nm pour le silicium cristallin). La mesure du

courant débité par la cellule en fonction de la longueur d'onde permet alors de connaître la

réponse spectrale de la cellule à l‟aide de la relation (45).

)(P

)(J)(RS (45)

Avec: RS(λ): Réponse spectrale (A.W-1

)

J(λ): Densité de courant (A.cm-2

)


- 68 -

P(λ): Densité de puissance incidente (W.cm-2

)

Selon la longueur d‟onde du rayonnement incident, le courant mesuré sera plus ou

moins élevé en fonction du Rendement Quantique Externe (RQE) de la cellule. Pour connaître

celui-ci, il faut multiplier RS par un facteur explicité dans la relation (46). Ceci permet

d‟obtenir le pourcentage d‟électrons participant au photocourant par rapport au nombre de

photons incidents.

q

hc)(RS)(RQE (46)

Avec : RQE(λ): Rendement Quantique Externe (%)

RS(λ): Réponse spectrale (A.W-1

)

h: Constante de Planck (kg.m2.s

-1):

c: Célérité de la lumière dans le vide (m.s-1

)

q : Charge élémentaire (C)

λ : Longueur d‟onde (m)

Pour étudier les mécanismes internes à la cellule, il est nécessaire de considérer

uniquement les photons absorbés dans le dispositif. On sépare alors du calcul de rendement

quantique les photons réfléchis ou transmis, ainsi que ceux absorbés dans les couches non

actives comme la couche anti-reflet. Le Rendement Quantique Interne (RQI) donne ainsi le

pourcentage d‟électrons participant au photocourant par rapport au nombre de photons qui ont

été réellement absorbés dans la cellule :

)(T)(A)(R1

)(RQE)(RQI (47)

Avec: RQI(λ): Rendement Quantique Interne (%)

RQE(λ): Rendement Quantique Externe (%)

R(λ): Réflectivité de la cellule (%)

A(λ): Absorption dans les couches non actives (%)

T(λ): Rayonnement transmis à travers la cellule (%)

On considère de manière générale que les courtes longueurs d‟ondes (Ultra-Violet)

sont absorbées majoritairement dans les premiers μm de la cellule, alors que les grandes

longueurs d‟ondes (Infra-Rouge) peuvent l‟être au niveau de la face arrière. L‟étude du RQI

aux courtes longueurs d‟ondes donne donc des indications sur la qualité de la face avant,

tandis que celle aux grandes longueurs d‟ondes concerne plus la face arrière (voir la Figure

27).


- 69 -

Figure 27. Exemple de Rendements Quantiques Externe et Interne d’une cellule solaire

La méthode LBIC (Light Beam Induced Current), tout comme la réponse spectrale,

est basée sur la mesure du courant de court-circuit d‟une cellule. L‟avantage de cette seconde

méthode réside dans la possibilité de localiser l‟excitation lumineuse et donc de réaliser des

cartographies en photocourant et réflectivité. Ces cartographies sont extrêmement utiles pour

l‟étude de matériaux c-Si défectueux [Dubois07] ou de cellules à contacts en face arrière

[Veschetti07]. L‟équipement Semilab utilisé pour les cartographies en durée de vie permet

également la mesure LBIC à l‟aide d‟une excitation LASER. Quatre longueur d‟ondes

d‟excitation différentes sont possibles (406, 852, 946 et 976 nm), qui permettent de

cartographier la longueur de diffusion des porteurs. Une valeur de longueur de diffusion

effective dans le matériau peut être obtenue à partir des mesures de RQI grâce à la relation

(48), valable sur une surface polie. Pour cela, il faut tracer l‟inverse du RQI en fonction de

l‟inverse du coefficient d‟absorption ( ) dans le c-Si [Basore93].

eff

1

L

11RQI (48)

En connaissant la valeur de la longueur de diffusion dans le volume (LV), et lorsque

celle-ci est supérieure à l‟épaisseur de la cellule (W), une valeur de Seff en face arrière (Sfar)

peut être calculée d‟après (49). D est ici le coefficient de diffusion des porteurs minoritaires.


- 70 -

)L

Wtanh(LL

)L

Wtanh(LL

L

DS

V

Veff

V

effV

V

far (49)

3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions

Notre modèle a été développé conjointement avec Djicknoum Diouf, doctorant au

LGEP (Laboratoire de Génie Électrique de Paris). Le logiciel de TCAD (Technology

Computer Assisted Design) utilisé est ATLAS, développé par Silvaco International. Les

références [Diouf08] et [Diouf09] détaillent ce modèle, ainsi que différents développements

effectués au niveau des simulations.

La structure et les paramètres de base utilisés dans notre modèle sont indiqués sur la

Figure 28. Pour simplifier, aucune couche de gap n‟est simulée entre l‟émetteur et le BSF.

Elle est remplacée par le BSF dont la largeur est augmentée (625 µm au lieu de 525 µm).

Cette simplification a très peu d‟influence sur les tendances obtenues dans les simulations.

Figure 28. Structure unitaire des cellules Si-HJ IBC simulées. Les principaux paramètres

utilisés sont également représentés

Le niveau de dopage dans les couches a-Si:H est initialement fixé à 1/10 des

concentrations mesurées expérimentalement par SIMS (voir Chapitre I). Cette valeur

correspond à une haute efficacité de dopage dans le a-Si:H [Searle98].

Pour modéliser les défauts d‟interface, une couche défectueuse, épaisse de 1 nm, est

introduite en surface du c-Si. Ces défauts sont répartis dans une gaussienne centrée au milieu

du gap du c-Si. Dans notre étude, la densité de défauts volumique dans cette couche de 1 nm

est considérée comme étant égale au dopage dans la couche a-Si:H. On peut considérer que la

e = 25 nm

Dopage = 1x1020 cm-3

Dit = 0 cm-2

Largeur = 625 µm

Émetteur a-Si:H type p BSF a-Si:H type n

c-Si type n

e = 80 nm

n = 2

Sfav= 0 cm.s-1

CAR simulée AM1.5

Base c-Si

e = 300 µm


Volume = 2 ms

BSF a-Si:H

Émetteur a-Si:H

Contact émetteur

e = 25 nm


Dit = 3x1012 cm-2

Largeur = 700 µm

Contact BSF Ohmique

Largeur = 275 µmOhmique

Largeur = 450 µm

e = 25 nm


Dit = 0 cm-2

Largeur = 625 µm


c-Si type n

e = 80 nm

n = 2

Sfav= 0 cm.s-1

CAR simulée AM1.5

Base c-Si

e = 300 µm


Volume = 2 ms

BSF a-Si:H

Émetteur a-Si:H

Contact émetteur

e = 25 nm


Dit = 3x1012 cm-2

Largeur = 700 µm

Contact BSF Ohmique


Largeur = 450 µm


c-Si type n

e = 80 nm

n = 2

Sfav= 0 cm.s-1

CAR simulée AM1.5

Base c-Si

e = 300 µm


Volume = 2 ms

BSF a-Si:H

Émetteur a-Si:H

Contact émetteur

e = 25 nm


Dit = 3x1012 cm-2

Largeur = 700 µm

Contact BSF Ohmique


Largeur = 450 µm


- 71 -

valeur de la Dit (en cm-2

) est alors égale au produit de la densité volumique et de l‟épaisseur

de la couche défectueuse. À l‟interface (émetteur a-Si:H / c-Si) cette Dit est donc égale à

3x1012

cm-2

pour une densité de dopage de 3x1019

cm-3

.

Ce modèle permet de déterminer l‟influence de différents paramètres, au niveau des

recombinaisons, des propriétés électriques, ainsi que de la géométrie de la cellule. Dans nos

travaux, les paramètres étudiés sont:

La vitesse de recombinaison en face avant (Sfav)

L‟épaisseur de la base c-Si

La largeur de l‟émetteur

Le dopage de l‟émetteur et du BSF

La largeur du contact sur l‟émetteur et le BSF

Une interface graphique (Tonyplot) existe également, permettant de visualiser, par

exemple, les recombinaisons ou les flux de courants dans les dispositifs. Ceci est

particulièrement intéressant pour la compréhension des phénomènes physiques qui

apparaissent dans une cellule PV sous illumination.

MATÉRIEL & MÉTHODES Conclusions

- 72 -

Conclusions

Les différents équipements et méthodes utilisés pour la fabrication, la caractérisation,

et la modélisation des cellules solaires Si-HJ IBC ont été présentés. Au niveau de la

fabrication des dispositifs, deux équipements sont particulièrement importants: le réacteur

PECVD et les différents réacteurs de pulvérisation. Ils permettent le dépôt de couches de a-

Si:H, d’ITO, ou de métal qui forment les contacts ohmiques et l‟émetteur des cellules Si-HJ.

Ils sont fortement mis à contribution lors de notre étude, avec un aspect nouveau, celui de la

localisation des couches déposées.

Toute étude sur les cellules Si-HJ utilise des mesures de durée de vie effective (τeff).

Nous avons donc présenté différentes méthodes de caractérisation de τeff, d‟abord en

fonction du niveau d‟injection (IC-PCD), puis de manière locale (µw-PCD). Cet aspect de

localisation est primordial pour le développement de structures Si-HJ IBC où les zones a-Si:H

sont structurées. Pour la détermination des pertes optiques et résistives, les mesures TLM, J-

V sous éclairement, SunsVoc, et réponse spectrales sont également nécessaires.

Enfin, les bases de notre modèle de simulation ont été présentées. Ce modèle permet

l‟étude théorique des dispositifs Si-HJ IBC en deux dimensions. Différents paramètres

peuvent être variés sur une structure unitaire, comme les propriétés électriques des matériaux

ou la géométrie de la face arrière.

- 73 -

CHAPITRE I : REALISATION ET OPTIMISATION DE

L’EMETTEUR ET DES CONTACTS OHMIQUES

Ce premier chapitre a pour objectif la sélection d’empilements (a-Si:H / matériau de

contact) optimisés pour une utilisation dans les structures Si-HJ à contacts en face arrière.

Pour cela, les propriétés de passivation (Seff, J0e) et de conduction des films a-Si:H dopés (n)

et (p) sont étudiées, en fonction de leur concentration de dopants et leur épaisseur.

La première partie de l‟étude concerne le développement d‟empilements (a-Si:H (n) /

matériau de contact) devant à la fois former un champ de surface arrière (BSF) et prendre le

contact sur le substrat c-Si (n). Pour cet empilement - appelé simplement BSF ou contact

ohmique par la suite- la résistivité spécifique du contact est déterminée par la méthode

TLM. La deuxième partie concerne la fabrication d‟émetteurs constitués d‟un empilement (a-

Si:H (p) / matériau de contact). Pour l‟émetteur, les pertes résistives sont déterminées

directement par la mesure de résistance série sur des cellules à émetteur inversé.

Les cellules Si-HJ fabriquées n‟utilisent pas de film a-Si:H intrinsèque (i) entre le

substrat c-Si et l‟amorphe dopé. En effet, même s‟il permet de mieux passiver la surface du c-

Si, ce film intrinsèque peut engendrer des pertes résistives sur les cellules Si-HJ à contacts en

face arrière [Lu08].

CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ

- 74 -

1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules à

hétérojonctions silicium

Les contacts ohmiques étudiés dans cette partie ont pour objectif de prendre le contact

sur le substrat tout en passivant sa surface. La Figure I.1 représente schématiquement les

empilements réalisés, ainsi que les trois paramètres principaux caractérisés. Il s‟agit de la

conductivité (σ) du a-Si:H (n), de la vitesse de recombinaison effective en surface (Seff) et de

la résistivité spécifique de contact (ρc) de l‟empilement.

Figure I.1. Schéma de l’empilement utilisé pour la fabrication du BSF par hétérojonction

silicium

Pour collecter les porteurs majoritaires sans provoquer de pertes résistives, il est

nécessaire dans un premier temps que la valeur de conductivité du a-Si:H (n) soit supérieure à

10-2

S.cm-1

[Schropp98]. En ce qui concerne la vitesse effective de recombinaison de surface,

il apparaît selon la littérature que des valeurs inférieures à 100 cm.s-1

permettent d‟obtenir les

meilleures performances [Sawada94] [Dauwe03].

Enfin, pour déterminer un objectif en terme de résistivité spécifique de contact, des

simulations sont nécessaires à l‟aide de notre modèle de simulation 2D. Il est en effet possible

d‟étudier, théoriquement, l‟influence de la ρc du contact ohmique sur le facteur de forme FF

des cellules Si-HJ IBC. Les résultats de ces simulations sont visibles sur la Figure I.2, pour

une géométrie correspondant à celle utilisée expérimentalement.


- 75 -

Figure I.2. Influence de la résistance spécifique de contact du BSF sur le FF de structures

Si-HJ IBC et Si-HJ standard modélisées.

Ces résultats montrent que la résistivité spécifique de contact est un paramètre très

influent pour les deux types de structures. L‟augmentation de c entraîne cependant des pertes

plus importantes sur le facteur de forme des cellules IBC que sur celui des structures standard.

Il apparaît logiquement que plus la surface de contact est réduite, plus il est nécessaire que le

transport des charges à travers le contact soit facilité.

Pour nos structures Si-HJ IBC, le contact du BSF représente seulement 10% de la

surface arrière alors qu‟il en constitue la totalité pour les Si-HJ standard. Ces résultats de

modélisation montrent que des valeurs de c inférieures à 2x10-2

Ohm.cm2

sont nécessaires

pour ne pas dégrader le FF des cellules.

Le Tableau 10 résume les différents objectifs fixés pour la fabrication de contacts

ohmiques adaptés aux cellules Si-HJ IBC.

Tableau 10. Objectifs fixés pour la réalisation des contacts ohmiques

Paramètre Caractérisation Objectif

Vitesse de recombinaison

de surface (Seff) PCD (Sinton) Seff ≤ 100 cm.s

-1

Conduction dans le a-Si:H Conductivité (σ) sur verre σ ≥ 10-2

(Ohm.cm)-1

Résistivité spécifique de

contact de l‟empilement Mesure TLM ρc ≤ 2x10

-2 Ohm.cm

2


- 76 -

1.1 Films a-Si:H de type n

1.1.1 Influence du flux de gaz dopant

La variation du flux de gaz dopant pendant le dépôt des couches a-Si:H est le moyen le

plus simple pour faire varier la conductivité du matériau. Les conditions de base du dépôt

listée dans le Tableau 11 sont inspirées de travaux précédents [Damon-Lacoste07] et adaptées

sur notre réacteur de dépôt. La Phosphine (PH3) utilisée comme gaz dopant est diluée à 5 %

dans du dihydrogène (H2).

Tableau 11. Conditions de dépôt pour le a-Si:H de type n

Puissance

(mW.cm-2

)

Pression

(mTorr)

Distance entre les

électrodes (mm)

Flux de

SiH4 (sccm)

Flux de H2

(sccm)

Flux de PH3

5% (sccm)

17 1500 23 50 200 5-30

L‟augmentation du flux de PH3 (ΦPH3) contribue généralement à améliorer la

conductivité des couches a-Si:H. Cependant comme le montre la Figure I.3, nos résultats

expérimentaux semblent suivre une tendance opposée. L‟augmentation du flux de gaz dopant

provoque ici la diminution de la conductivité de la couche a-Si:H (n). Pour les conditions de

faible flux (5 et 10 sccm), la conductivité mesurée est sensiblement la même, légèrement

supérieure à 1x10-2

(Ohm.cm)-1

. En revanche pour un flux de PH3 supérieur, une décroissance

est ensuite constatée jusqu‟à la valeur de 1.1x10-3

(Ohm.cm)-1

à ΦPH3 = 50 sccm.

Figure I.3. Influence du flux de Phosphine sur la conductivité du a-Si:H

Ce comportement peut être observé lorsque la concentration d‟impuretés dopantes

atteint les 1x1021

at.cm-3

[Carlson90]. Une analyse SIMS a été effectuée sur le matériau a-Si:H


- 77 -

(n) déposé avec 10 sccm de PH3. La Figure I.4 confirme une densité d‟atomes de Phosphore

supérieure à 1x1021

at.cm-3

dans ce matériau.

Figure I.4. Concentration d’atomes P, H, O et C dans le a-Si:H (n) déposé avec 10 sccm

de PH3 (Mesure SIMS)

Dans la plage de variation du débit considérée (5-30 sccm), les atomes de Phosphore

supplémentaires insérés dans la matrice de a-Si:H occupent donc des positions interstitielles et

non pas substitutionnelles. L‟augmentation du flux de gaz dopants lors du dépôt n‟entraîne

alors aucune amélioration de la conductivité de l‟échantillon, mais provoque l‟apparition de

défauts supplémentaires dans la couche. Les concentrations en impuretés telles que l‟Oxygène

et le Carbone sont de l‟ordre de 1018

cm-3

. Un flux de PH3 de 5 sccm permet donc de réaliser

une couche de forte conductivité possédant le moins de défauts. Cependant, cette condition se

situe à la limite des possibilités du débitmètre utilisé, où le flux souhaité n‟est plus garanti. Il

est alors possible que des fluctuations non contrôlées apparaissent au niveau des propriétés de

conduction du matériau déposé. Il est donc préférable d‟utiliser le matériau déposé avec 10

sccm de PH3 pour la fabrication du BSF, et ce même s‟il est probablement plus défectueux.

1.1.2 Influence de l’épaisseur

L‟épaisseur de a-Si:H déposée a un impact sur les qualités de passivation de surface de

ce matériau. Or, l‟objectif du BSF est d‟atteindre des vitesses de recombinaison les plus

faibles possibles. Afin d‟obtenir des couches d‟épaisseurs variables, nous avons augmenté le

temps du dépôt et mesuré les épaisseurs déposées par ellipsométrie. La vitesse de dépôt pour

un flux de PH3 égal à 10 sccm est de 2 Å.s-1

. Comme le montre la Figure I.5, la partie

imaginaire de la pseudo-fonction diélectrique mesurée varie fortement avec l‟épaisseur

déposée. Ceci est dû à l‟absorption croissante du rayonnement dans le a-Si:H qui masque peu

à peu le signal du substrat c-Si.


- 78 -

Figure I.5. 2 déterminé par ellipsométrie pour différentes épaisseurs de a-Si:H (n)

déposées sur c-Si

Des mesures de durée de vie effectives sont nécessaires pour évaluer les propriétés de

passivation des couches a-Si:H (n). Ces mesures sont effectuées sur des échantillons c-Si

passivés des deux côtés par une couche a-Si:H (n) de même épaisseur. La Figure I.6 montre

l‟évolution de Seff en fonction de l‟épaisseur des couches déposées. Pour chaque condition,

deux échantillons ont été réalisés, les valeurs d‟épaisseur et de Seff indiquées sont donc une

moyenne de plusieurs mesures.

Figure I.6. Mesures de Seff en fonction de l’épaisseur de a-Si:H (n) déposée sur c-Si. La

courbe en pointillés montre la tendance des mesures


- 79 -

Les meilleures passivations de surface sont obtenues pour une épaisseur de a-Si:H (n)

de l‟ordre de 25 nm. Les valeurs de Seff diminuent en effet avec l‟épaisseur déposée jusqu‟à

ce minimum à 25 cm.s-1

. Après 25 nm Seff augmente légèrement en conservant cependant des

valeurs faibles. Plusieurs phénomènes peuvent apporter des explications à ces tendances

expérimentales:

Le dépôt n‟est pas homogène dans son épaisseur. Les premiers nm déposés sur le

substrat c-Si croissent en effet par îlots et sont plus défectueux que les nm suivants

[Fujiwara07b]. L‟augmentation de l‟épaisseur de a-Si:H permet de limiter ces défauts par des

phénomènes de relaxation du matériau [Olibet07].

En augmentant l‟épaisseur de a-Si:H (n), on augmente également le nombre de charges

dans la couche. Ceci peut induire un effet de champ plus important et donc une meilleure

passivation de surface.

Au-delà d‟une certaine épaisseur déposée, des phénomènes de contraintes mécaniques

peuvent apparaîtrent à l‟interface a-Si:H/c-Si. Ces contraintes induisent alors des défauts

supplémentaires qui augmentent les recombinaisons [Olibet07].

Pour un a-Si:H (n), la passivation de surface repose à la fois sur l‟effet de champ

induit et sur la densité d‟états d‟interface. Ainsi jusqu‟à 25 nm déposés, la diminution de Seff

avec une épaisseur croissante peut être attribuée à une augmentation de l‟effet de champ et/où

l‟amélioration de la qualité de l‟interface. Ensuite, l‟effet de champ ne semble plus augmenter

alors que des contraintes mécaniques apparaissent à l‟interface, provoquant la hausse de Seff.

Une épaisseur de 25 nm a donc été privilégiée pour réaliser les empilements de BSF des

cellules Si-HJ. Ces couches devant être recouvertes d‟un métal afin d‟extraire les charges,

l‟étude s‟est poursuivie par la détermination de matériaux de contact adaptés.

1.2 Matériaux de contact électrique

1.2.1 Mesure de la résistivité spécifique de contact

Au niveau expérimental, la méthode TLM permet de déterminer une valeur de c qui

englobe la totalité des contributions résistives au niveau du BSF: (contact / a-Si:H), a-Si:H et

(a-Si:H / c-Si). Le matériau de contact utilisé est constitué d‟un empilement d‟ITO (80 nm) et

d‟Al (1 à 3 µm) pulvérisés. Cet empilement a été développé et sélectionné lors de travaux sur

les cellules Si-HJ standard [Ribeyron08b]. La couche d‟ITO est utilisée pour contacter le a-

Si:H (n) sans le dégrader. En effet, seuls 1 à 2 nm de matériau interagissent à l‟interface a-

Si:H / ITO [Damon-Lacoste07] alors qu‟un dépôt de métal peut plus facilement dégrader l‟a-

Si:H (n) [Wang08]. La Figure I.7 montre le résultat de la mesure TLM effectuée sur le BSF

comportant l‟empilement de contact ITO / Al.


- 80 -

Une valeur globale de c de l‟ordre de 4.5x10-2

Ohms.cm2 est obtenue sur

l‟empilement étudié. Il s‟agit d‟une valeur élevée par rapport aux 1x10-4

Ohms.cm2 obtenus

expérimentalement pour la résistance du contact Al / ITO uniquement. Cette différence

s‟explique par les contributions du a-Si:H (n) dans la résistance de l‟empilement.

La valeur de c obtenue pour l‟empilement global est plus élevée que notre objectif

fixé à 2x10-2

Ohms.cm2. Cependant, aucun autre matériau de contact testé (Al, Ag, Pd, Ti) ne

montre de meilleurs résultats que l‟empilement ITO/Al. Les pertes en FF occasionnées par

cette forte valeur de c sont néanmoins inférieures à 5 % relatifs par rapport à une résistance

spécifique de contact de 2x10-2

Ohms.cm2. Cet empilement de contact est donc retenu pour

être utilisé dans la fabrication des cellules Si-HJ IBC.

Figure I.7. Mesure TLM de la structure BSF constituée de l’empilement a-Si:H (n) / ITO /

Al

1.2.2 Validation sur cellules à hétérojonction silicium standard

Des cellules Si-HJ utilisant l‟empilement BSF développé précédemment ont été

fabriquées afin de vérifier son efficacité sur le dispositif complet. Ces cellules Si-HJ standard

de 25 cm2 utilisent un émetteur a-Si:H (p) de 10 nm recouvert de 80 nm d‟ITO en face avant.

La Figure I.8 montre schématiquement la structure de ces cellules ainsi que les 5 principaux

paramètres impactant leur résistance série.


- 81 -

Figure I.8. Schéma des cellules à hétérojonction fabriquées avec les principales causes de

résistance série

La contribution totale des paramètres (3), (4) et (5) à la résistance série totale est, dans

notre cas, égale à 0.6 Ohms.cm2. Cette valeur a été estimée à l‟aide de modèles analytiques de

la littérature [Schröder84] en utilisant des valeurs mesurées expérimentalement. Le facteur de

forme des cellules pourrait donc théoriquement atteindre 80% si les paramètres (1) et (2)

n‟avaient aucune influence. La caractéristique J-V sous éclairement d‟une cellule Si-HJ

standard expérimentale ainsi que ses paramètres électriques sont présentés sur la Figure I.9.

Figure I.9. Mesure J-V sous éclairement AM1.5 d’une cellule Si-HJ standard utilisant le

BSF développé


- 82 -

La résistance série mesurée sur cette cellule (représentative d‟un lot de 3) atteint la

valeur de 1.1 Ohms.cm2. La détermination de ce paramètre est effectuée par comparaison des

mesures J-V sous éclairement et pseudo J-V (SunsVoc). Il est difficile de séparer les

contributions respectives de l‟émetteur et du BSF mais leur contribution totale peut donc être

estimée à 0.5 Ohms.cm2. Même si cette valeur doit être améliorée, les pertes résistives

attribuées au BSF sont donc suffisamment limitées pour valider son utilisation dans la suite de

l‟étude.

L‟autre paramètre à valider sur cellules Si-HJ est la passivation effective du BSF,

inséré dans le dispositif. Pour cela nous avons effectué des mesures de rendement quantique

interne (RQI) et tracé (Figure I.10) l‟inverse du RQI en fonction de l‟inverse du coefficient

d‟absorption du silicium (-1

, dépendant de la longueur d‟onde) [Basore93].

Figure I.10. Graphe montrant l’inverse du RQI en fonction de -1

pour la détermination de

la Seff du BSF sur cellules Si-HJ standard

Une valeur de Seff de 46 cm.s-1

est obtenue, supérieure à la valeur (25 cm.s-1

)

déterminée avec la mesure de durée de vie. Cette différence peut éventuellement s‟expliquer

par une dégradation de la couche a-Si:H (n) lors des étapes de dépôts et recuit des

métallisations. Cependant cette valeur de Seff est toujours très inférieure à 100 cm.s-1

, le BSF

peut donc être également validé pour ses qualités de passivation de surface.

CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ

- 83 -

2. Fabrication d’émetteurs pour cellules à hétérojonctions

silicium

L‟émetteur utilisé sur une cellule PV doit permettre de passiver la surface et de

collecter les porteurs minoritaires sans provoquer de pertes résistives. Dans notre étude, il est

situé en face arrière de la cellule et peut donc être contacté par tous types de matériaux

conducteurs. La Figure I.11 représente schématiquement les structures à hétérojonctions

silicium et émetteur inversé (Rear Emitter RE) réalisées, ainsi que les trois paramètres

principaux caractérisés. Il s‟agit de la conductivité (σ) du a-Si:H (p), de la densité de courant

de saturation de l‟émetteur (J0e) et de la résistance série totale des cellules.

Figure I.11. Schéma des cellules à hétérojonctions silicium et émetteur inversé (Si-HJ RE)

Les valeurs de J0e doivent être les plus faibles possibles afin d‟obtenir de hautes

valeurs de Vco. En effet, dans le cas théorique où les recombinaisons dans l‟émetteur

dominent le courant de saturation de la cellule, ces deux valeurs sont reliées par l‟équation

(50).

)J

Jln(

q

kTV

e0

CC

CO (50)

Selon cette relation pour obtenir un Vco de l‟ordre de 650 mV - supérieur aux

performances des cellules à homojonction standard - la valeur de J0e doit être maintenue en

deçà de 500 fA.cm-2

. Pour justifier l‟intérêt d‟utiliser des Si-HJ, il est donc nécessaire

d‟obtenir des valeurs de J0e inférieures à 500 fA.cm-2

. Cette limite est encore bien supérieure

aux 20 fA.cm-2

atteints par les meilleures cellules Si-HJ [Swanson05]. Il s‟agit ici d‟un


- 84 -

objectif fixé dans un premier temps, en sachant que l‟insertion d‟un film tampon intrinsèque

permettra de l‟améliorer par la suite.

Pour collecter efficacement les porteurs minoritaires sans provoquer de pertes

résistives, il est nécessaire que la valeur de conductivité du a-Si:H (p) soit supérieure à 1x10-5

Ohm-1

.cm-1

[Schropp98]. Les pertes résistives dues à l‟ensemble de l‟empilement d‟émetteur

sont ensuite évaluées par la mesure de résistance série totale des cellules Si-HJ RE. L‟objectif

est ici d‟atteindre la plus faible valeur de Rs possible et donc le meilleur FF. Ces différents

objectifs sont résumés dans le Tableau 12.

Tableau 12. Objectifs fixés pour la réalisation de l’émetteur

Paramètre Caractérisation Objectif

Courant de saturation PCD (Sinton) J0e ≤ 500 fA.cm-2

Conduction dans le a-Si:H Conductivité (σ) sur verre σ ≥ 10-5

(Ohm.cm)-1

Résistance série Cellules Si-HJ RE Rs minimale

2.1 Films a-Si:H de type p

2.1.1 Influence du flux de gaz dopant

Le gaz dopant utilisé lors du dépôt de a-Si:H (p) est constitué de 2% de TMB

(TriMéthylBore) dilué dans du dihydrogène (H2). Les conditions de base du dépôt listées dans

le Tableau 13 ont été inspirées de travaux précédents [Damon-Lacoste07] et adaptés sur notre

réacteur de dépôt.

Tableau 13. Conditions de dépôt pour le a-Si:H de type p

Puissance

(mW.cm-2

)

Pression

(mTorr)

Distance entre les

électrodes (mm)

Flux de

SiH4 (sccm)

Flux de H2

(sccm)

Flux de TMB

2% (sccm)

17 1500 23 50 150 10-50

L‟objectif minimal en terme de conductivité de la couche (p) est fixé à 1x10-5

S.cm-1

.

En augmentant le flux de gaz dopant, des valeurs de conductivité croissantes sont attendues.

En effet, comme le montre la Figure I.12, l‟augmentation du flux de TMB (ΦTMB) améliore

la conductivité de la couche a-Si:H (p). Avec les paramètres de dépôt utilisés la valeur

maximale atteinte est de 3.1x10-5

S.cm-1

.


- 85 -

Figure I.12. Influence du flux de TMB (dilué à 2% dans H2) sur la conductivité du a-Si:H

À la différence de ce qui a été précédemment constaté avec le matériau de type n, il

semble qu‟ici la concentration d‟atomes de Bore actifs dans le matériau augmente

effectivement avec le flux de TMB. Des résultats de mesures SIMS, visibles sur la Figure

I.13, permettent de confirmer l‟augmentation de la concentration de Bore mais également

celle de H, O et C avec le flux de TMB.

Figure I.13. Concentrations d’atomes B, H, O et C dans le a-Si:H (p) déposé avec différents

flux de TMB, mesurées par analyse SIMS


- 86 -

Selon ces résultats, les couches a-Si:H (p) réalisées sont très hydrogénées, avec une

forte concentration d‟atomes de carbone. Ceux-ci proviennent du TMB qui en contient une

grande quantité. L‟augmentation de la concentration de C dans le a-Si:H est toutefois connue

pour réduire sa conductivité [Searle98]. Ce dernier point pourrait expliquer les faibles valeurs

de conductivité obtenues expérimentalement avec nos couches. En effet, ici l‟augmentation du

flux de gaz dopant entraîne à la fois une hausse de la concentration de [B] et de [C] dont les

effets sur la conductivité sont opposés. Dans la plage de variation de flux de TMB choisie, σ

passe tout de même de 1.4x10-6

à 3.1x10-5

, soit une augmentation de plus d‟un ordre de

grandeur. C‟est entre les conditions 10 sccm et 30 sccm que cette amélioration est la plus

flagrante, suivie par un début de saturation pour des flux plus élevés.

En passant d‟un flux de 10 sccm à 50 sccm de TMB, la vitesse de dépôt augmente de

2.3 à 3.3 Å.s-1

. Le gaz dopant joue probablement le rôle de catalyseur dans les réactions du

plasma. Ceci a été pris en compte pour la comparaison des propriétés de passivation de

surface de ces différents a-Si:H (p). En effet, comme on l‟a vu sur les couches a-Si:H (n), ces

propriétés dépendent fortement de l‟épaisseur de la couche déposée. C‟est pourquoi il faut

ajuster le temps de dépôt en fonction du flux de TMB afin de déposer des épaisseurs

semblables. Les courbes montrées sur la Figure I.14 permettent le calcul du J0e obtenu avec

chaque matériau pour des couches de 27+/-2 nm déposées de chaque côté des substrats c-Si.

Figure I.14. Mesures de J0e pour des émetteurs a-Si:H (p) épais de 27+/-2 nm obtenus avec

différents flux de TMB

Ces résultats indiquent que plus le flux de gaz dopant est élevé, plus le J0e de

l‟émetteur augmente. Il apparaît que l‟augmentation de ce flux entraîne une densité de défauts

plus importante dans la couche a-Si:H, et donc à l‟interface a-Si:H / c-Si. Les couches plus

conductrices sont plus défectueuses et donc plus recombinantes malgré leur effet de champ


- 87 -

potentiellement plus élevé. Un J0e inférieur à 500 fA.cm-2

est obtenu pour des flux de TMB

inférieurs à 30 sccm. Deux matériaux a-Si:H (p) répondant à ce critère ont été sélectionnés

pour la suite de l‟étude. Nous avons d‟abord choisi le matériau réalisé avec un flux de TMB

de 30 sccm (J0e = 410 fA.cm-2

) pour sa conductivité supérieure à 1x10-5

S.cm-1

. L‟autre

matériau choisi (TMB = 10 sccm) se distingue par un J0e plus faible proche de 100 fA/cm2

mais une faible conductivité (1.4x10-6

S.cm-1

).

2.1.2 Influence de l’épaisseur

La conductivité des couches a-Si:H (p) développées dans cette étude est beaucoup plus

faible que celle des couches de type n. L‟usage de ces matériaux peu conducteurs peut

engendrer des pertes résistives sur les cellules Si-HJ, même pour des épaisseurs de quelques

dizaines de nm seulement. Il serait donc avantageux de réduire l‟épaisseur des couches a-Si:H

(p) afin de limiter les pertes résistives. C‟est pourquoi nous avons voulu tester l‟impact de la

réduction de l‟épaisseur de ces couches sur leurs propriétés de passivation. La Figure I.15

montre, pour les deux matériaux a-Si:H (p) sélectionnés, l‟évolution du J0e en fonction de

l‟épaisseur déposée. Sur cette plage d‟épaisseurs, et pour les deux conditions testées, le J0e

évolue de manière comparable avec l‟épaisseur déposée.

Figure I.15. Mesures de J0e en fonction de l’épaisseur de matériaux a-Si:H (p) déposés sur

c-Si, pour deux conductivités différentes

La réduction d‟épaisseur provoque ici, comme pour le matériau de type n, une

diminution des propriétés de passivation des couches a-Si:H. Avec le matériau de forte

conductivité (dénommé [H] par la suite), des valeurs supérieures à 500 fA.cm-2

sont obtenues

pour des épaisseurs inférieures à 25 nm. En revanche pour le matériau de faible conductivité


- 88 -

(dénommé [L] par la suite), il est possible de maintenir des valeurs de J0e inférieures à cette

limite en réduisant l‟épaisseur de a-Si:H jusqu‟à 10 nm.

2.2 Matériaux de contact électrique

La problématique du contact est d‟autant plus importante sur les cellules à

hétérojonctions que les couches dopées sont extrêmement fines (de l‟ordre de la dizaine de

nm) et peu conductrices. Dans ce cas, le contact est primordial car il peut facilement entraîner

une déplétion partielle voire totale de la zone dopée s‟il est inadapté et donc engendrer des

problèmes de résistance série [Stangl03]. Cette partie explore la prise de contact sur les

matériaux a-SiH (p) développés précédemment. Les structures étudiées ici sont des cellules

Si-HJ à émetteur inversé permettant une prise de contact par n‟importe quel matériau sur

l‟émetteur en face arrière. Ceci permet une première étude concernant l‟impact du travail de

sortie du métal de contact sur les caractéristiques électriques des cellules. Les conséquences

d‟une réduction de l‟épaisseur de l‟émetteur a-Si:H sur les performances des dispositifs sont

ensuite étudiées.

2.2.1 Influence du travail de sortie

Un matériau possédant un travail de sortie (υ) supérieur à 5.3 eV est théoriquement

nécessaire pour contacter une couche a-Si:H (p) [Froitzheim02]. En effet, pour des valeurs

inférieures, les conditions de bandes plates ne sont plus obtenues, et des problèmes de

résistance série peuvent donc apparaître. Afin de déterminer un matériau de contact adapté

aux émetteurs a-Si:H (p) développés, trois métaux différents sont testés: Al, Ti et Pd. Pour

tous les métaux testés, la température de dépôt est inférieure à 200 °C.

Les matériaux Al et Ti possèdent une valeur de υ proche de 4.3 eV, alors que pour le

Pd, ce paramètre atteint 5.1 eV [Michaelson77]. Ces matériaux sont dans un premier temps

testés sur un émetteur [L] de 25 nm d‟épaisseur en face arrière. La Figure I.16 montre les

caractéristiques J-V des différentes cellules Si-HJ RE réalisées. De faibles valeurs de Jcc,

inférieures à 26 mA.cm-2

, sont obtenues. Ceci montre que les cellules à émetteur inversé

fabriquées ne sont pas optimisées pour atteindre les hauts rendements. En effet deux

paramètres impactent fortement le Jcc de ces structures : la vitesse de recombinaison en face

avant et l‟absorption du FSF. Sur les cellules fabriquées, le FSF épais (25 nm) absorbe

fortement alors que sa Seff atteint quasiment 50 cm.s-1

. Ceci peut expliquer pourquoi les Jcc

obtenus n‟atteignent pas 31 mA.cm-2

comme les Si-HJ standard réalisées précédemment.


- 89 -

Figure I.16. Mesures J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ RE utilisant un

émetteur [L] de 25 nm avec différents métaux de contact

Des Vco supérieures à 650 mV sont obtenus sur les cellules Si-HJ RE, contactées par

Ti et Pd. Le faible J0e de l‟émetteur [L] est donc confirmé expérimentalement par ces valeurs

élevées. Pour ces deux matériaux, des courbes J-V sans comportement anormal sont obtenues.

L‟utilisation d‟Al pour contacter directement l‟émetteur [L] provoque en revanche une forte

dégradation des caractéristiques électriques de la cellule. La courbe J-V mesurée sous

éclairement est en « S », ce qui limite à la fois le Vco et le FF. Il est en effet possible qu‟avec

ce matériau à faible travail de sortie, une barrière Schottky apparaisse à l‟interface a-Si:H (p) /

contact [Froitzheim02].

Le fait que ce phénomène ne se reproduise pas avec le Ti (pourtant de travail de sortie

comparable) peut s‟expliquer par d‟éventuelles interactions métal / a-Si:H. En effet le a-Si:H

réagit très facilement avec un métal déposé, et ce même à des températures de l‟ordre de

200°C. Par exemple des phénomènes de siliciuration, de recristallisation partielle ou totale du

a-Si:H peuvent se produire après le dépôt d‟un métal. Ce phénomène peut être désiré

(Aluminium Induced Crystallization par exemple [Haque96]) ou subi [Wang08]. De plus, la

hauteur de barrière entre un métal et un semi-conducteur donné ne dépend pas linéairement du

travail de sortie du métal [Thanailakis75].

Nos résultats montrent donc que même si le meilleur contact sur l‟émetteur a-Si:H (p)

est obtenu avec la plus haute valeur de υ, ce paramètre n‟est pas l‟unique responsable de la

qualité du contact. D‟autres paramètres comme la structure électronique du métal, la qualité

de l‟interface métal/semi-conducteur sont également à considérer. Pour améliorer le contact, il

est également possible d‟agir sur le dopage du semi-conducteur. Nous avons donc réalisé des

cellules Si-HJ à émetteur inversé utilisant le matériau [H]. Le Tableau 14 contient les

paramètres électriques sous éclairement des différentes cellules fabriquées.


- 90 -

Tableau 14. Paramètres électriques de cellules Si-HJ à émetteur inversé sous

illumination: Influence de la conductivité de l’émetteur a-Si:H (p) et du métal le contactant

σ (S.cm-1

) Φ (eV) Vco (mV) Jsc (mA.cm-2

) FF (%) η (%)

[L] 1.4x10-6

Al (4.3) 646 25.8 64.7 (en « S ») 10.8

[L] 1.4x10-6

Ti (4.3) 653 26.0 73.4 12.5

[L] 1.4x10-6

Pd (5.1) 650 25.8 75.6 12.7

[H] 1.8x10-5

Al (4.3) 630 24.9 77.9 12.2

[H] 1.8x10-5

Pd (5.1) 626 24.8 78.4 12.2

Avec un émetteur plus conducteur, les valeurs de Jcc et Vco baissent légèrement, en

relation avec la hausse de J0e. En revanche, l‟influence du métal de contact est moindre sur ce

matériau. En effet, même avec un contact Al un FF élevé (77.9%) est obtenu. L‟utilisation de

Pd n‟améliore que légèrement ce paramètre pour atteindre 78.4%. Le dopage plus élevé du

matériau [H] favorise probablement l‟effet tunnel à l‟interface métal / semi-conducteur, de

telle sorte que le transport des charges est moins influencé par la hauteur de barrière [Arch91].

Pour l‟émetteur [H], les pertes résistives attribuées au couple (émetteur, BSF) sont

estimées à environ 0.4 Ohm.cm-2

, et dépendent peu du métal de contact. Une simple couche

d‟Al semble donc suffisante pour contacter ce type d‟émetteur. L‟utilisation de matériau [L]

par rapport au [H] fait chuter le FF des cellules, quel que soit le métal de contact utilisé. Ceci

peut s‟expliquer à la fois par une plus forte résistance verticale dans l‟émetteur ainsi que par

une résistance de contact accrue. Dans le meilleur cas (Pd), les pertes attribuées au couple

(émetteur, BSF) s‟élèvent à 0.9 Ohm.cm-2

pour cet émetteur [L].

Il semble donc préférable d‟utiliser l‟émetteur plus conducteur pour réduire les pertes

résistives, même si son J0e est plus élevé. Cependant, il reste une voie permettant de réduire

les pertes par résistance série dues à l‟émetteur [L]: la réduction de son épaisseur. En effet,

avec un matériau aussi peu conducteur, une épaisseur de 25 nm est déjà susceptible de

provoquer des pertes résistives non négligeables.

2.2.2 Influence de l’épaisseur d’a-Si:H

Pour diminuer les pertes résistives dans l‟émetteur [L], il est possible de réduire son

épaisseur. Comme nous l‟avons constaté dans la partie précédente, cette réduction d‟épaisseur

augmente le J0e de l‟émetteur. Avec le matériau [L], il est toutefois possible d‟obtenir un J0e

inférieur à 500 fA.cm-2

avec une épaisseur de 10 nm. Un émetteur [L] de 10 nm est donc testé

sur des cellules Si-HJ RE. Le Palladium (Pd) est utilisé comme matériau de contact car il

démontre les meilleures qualités de contact sur ce type de matériau (Figure I.16).


- 91 -

La Figure I.17 montre que les caractéristiques des cellules obtenues sont très

mauvaises, aussi bien au niveau du FF que du Vco.

Figure I.17. Mesures J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ RE utilisant un

émetteur [L] de 10 nm avec différents matériaux de contact

Les mauvaises performances obtenues peuvent s‟expliquer par la dégradation de

l‟émetteur mince après le dépôt du métal de contact. En effet, la très faible valeur de Vco

traduit une perte totale des qualités de passivation de cet émetteur, et donc sa probable

cristallisation. De plus, l‟aspect de la courbe J-V, avec une chute de la densité de courant dès

les faibles tensions, montre la présence de courts-circuits. Le métal de contact est

probablement localement en contact directement avec la base, ce qui diminue la résistance

parallèle des cellules, et dégrade à la fois la Vco et le FF.

L‟ITO permet en général de prendre contact sur les couches a-Si:H minces sans les

dégrader. C‟est pourquoi ce matériau a également été testé sur cet émetteur mince, avec plus

de succès que le métal précédent (Figure I.17). En effet une Vco de 624 mV est obtenue, du

même ordre que celle atteinte avec les émetteurs [H] épais, de J0e comparable. Toutefois, le

faible FF obtenu montre que l‟ITO ne contacte pas correctement le matériau [L]. Il est

probable que ce matériau, comme l‟Al, provoque une barrière de potentiel au contact qui

limite le passage des charges. Les valeurs du travail de sortie de l‟ITO, mesurées dans la

littérature, semblent en effet inférieures à 5 eV [Munoz08][Chkoda00]. Ici, comme avec le

contact Al, cette barrière se traduit par l‟apparition d‟une courbe J-V en « S ».

CHAPITRE I Conclusions

- 92 -

Conclusions du Chapitre I

Ce chapitre a permis d‟étudier en détail la prise de contact électrique par

hétérojonctions silicium, un domaine encore peu exploré dans la littérature. Nous avons pu

montrer que l‟empilement c-Si / a-Si:H / contact doit être considéré dans sa globalité pour

l‟optimisation de l‟émetteur et du BSF des cellules Si-HJ. La recherche d‟un compromis

entre propriétés de passivation et de conduction semble devoir guider cette optimisation.

Les paramètres étudiés (épaisseur et conductivité du a-Si:H, matériau de contact) ont une

influence certaine sur les performances des cellules réalisées.

Il n‟a pas été possible de réaliser un empilement d‟émetteur permettant à la fois une

très bonne passsivation de surface et la réduction des pertes résistives. Un faible dopage de la

couche a-Si:H (p) permet d‟atteindre des valeurs de J0e approchant les 100 fA.cm-2

, mais

provoque des pertes résitives qu‟il semble difficile d‟éliminer. Des couches plus conductrices

limitent la résistance série des dispositifs, mais diminuent également leur Vco. L‟utilisation

d‟une double couche a-Si:H apparaît donc comme étant indispensable à l‟obtention de

hauts rendements. Comme dans la structure HITtm

, elle doit être constituée d‟une première

couche pas (ou peu) dopée en surface, recouverte d‟une autre, plus dopée, vers le contact.

Au niveau du contact ohmique (ou BSF), un empilement alliant une Seff inférieure à

100 cm.s-1

et une résistivité spécifique de contact de 5x10-2

Ohms.cm2

a été déterminé. Pour

l‟émetteur, deux empilements ont été développés, avec des couches a-Si:H de conductivité de

1.4x10-6

S.cm-1

(J0e = 140 fA.cm-2

) et 1.8x10-5

S.cm-1

(J0e = 410 fA.cm-2

), épaisses de 25 nm.

Pour contacter ces couches, l‟utilisation de Palladium (Φ = 5.1eV) permet de limiter les pertes

résisitives par rapport à d‟autres métaux (Al, Ti). Ces différents empilements pour

l’émetteur et le BSF peuvent être utilisés sur les cellules à contacts interdigités.

- 93 -

CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA FACE AVANT

Ce deuxième chapitre a pour objectif la détermination d’une couche anti-reflet

(CAR) optimisée pour une utilisation en face avant de la structure Si-HJ IBC. L‟étude est

focalisée sur des matériaux déposés à une température inférieure à 200°C pour avoir la

liberté de réaliser cette étape à tout moment du procédé de fabrication. Les propriétés

optiques (transmission effective, Teff) et de passivation (Seff) de différents empilements sont

déterminées afin de les comparer. Une première étude concerne des couches simples de a-

SiNx:H et de a-SiCx:H. L‟influence des conditions de dépôt sur les propriétés des matériaux

déposés est étudiée. La deuxième partie se focalise sur des empilements constitués d‟a-Si:H

pour la passivation de surface et de a-SiNx:H ou d‟ITO pour le confinement optique.

Notre objectif est d‟atteindre une valeur de Seff la plus faible possible pour limiter les

pertes au niveau du courant collecté. La Figure II.1 montre en effet le fort impact de la Seff en

face avant (Sfav) sur le rendement quantique externe (RQE) simulé d‟une cellule Si-HJ IBC. À

titre de comparaison, un FSF réalisé à haute température (dopage + oxyde thermique) peut

atteindre une Sfav de 10 cm.s-1

[Granek07]. Les pertes optiques dues aux phénomènes

d‟absorption et de réflexion dans la CAR doivent être également limitées. Une valeur de Teff

de 90% peut être théoriquement atteinte sur surface polie. Dans un premier temps, notre

objectif est de se rapprocher au maximum de cette valeur de Teff.

Figure II.1. Influence de la vitesse de recombinaison effective en face avant (Sfav) sur le

Rendement Quantique Externe (RQE) simulé d’une cellule Si-HJ IBC

CHAPITRE II 1. Simple couche anti-reflet

- 94 -

1. Simple couche anti-reflet

La CAR idéale se compose d‟une simple couche combinant d‟excellentes propriétés

de passivation avec un confinement optique maximal. Les matériaux a-SiNx:H sont réputés

pour pouvoir allier ces propriétés et sont largement répandus dans la fabrication des cellules

standard à homojonctions. L‟usage de a-SiCx:H et d‟ITO comme CAR, répandu sur des

structures non standard, est également envisageable. Le a-SiCx:H peut permettre de faibles

Seff, c‟est de plus un matériau résistant aux gravures HF, contrairement au a-SiNx:H. L‟usage

de a-SiCx:H est donc intéressant si des traitements au HF sont nécessaires après le dépôt de la

CAR. L‟ITO possède quant à lui des propriétés de conduction qui en font un candidat

intéressant pour la réalisation d‟une CAR conductrice. Une couche conductrice en face avant

peut en effet théoriquement améliorer la conductivité latérale de la base [Granek08a]. Ceci

peut limiter les pertes résistives provoquées par une géométrie inadaptée en face arrière des

cellules IBC.

L’indice de réfraction (n) à 630 nm est utilisé dans un premier temps pour

caractériser les propriétés optiques des matériaux étudiés. Pour des applications sous le

spectre AM1.5 sans encapsulation, l‟indice du matériau de la CAR (nCAR) doit permettre

l‟adaptation optique entre l‟air (n ≈ 1.1) et le c-Si (n ≈ 3.8). Une valeur proche de 2 pour nCAR

permet théoriquement une adaptation d‟indice optimale [Lelièvre07]. Le coefficient

d’extinction (k) caractérisant l‟absorption dans les différentes couches est ensuite mesuré afin

de les comparer. Ces deux paramètres sont déduits de mesures par ellipsométrie ou

spectrophotométrie.

1.1 Films de a-SiNx:H

Le a-SiNx:H utilisé comme CAR sur les cellules standard homojonctions est en

général déposé à des températures d‟environ 400°C [Dauwe04]. Cette température étant trop

élevée pour notre application, il est nécessaire de diminuer ce paramètre jusqu‟à 200°C. Le

Tableau 15 liste les conditions de base utilisées pour réaliser des couches a-SiNx:H dans notre

réacteur PECVD fonctionnant à 40 kHz.

Tableau 15. Conditions de base utilisées pour le dépôt de a-SiNx:H (réacteur

PECVD 40 kHz)

Puissance

(mW.cm-2

)

Pression

(mTorr)

Distance entre les

électrodes (mm)

Flux de

SiH4 (sccm)

Flux de H2

(sccm)

Flux de NH3

(sccm)

122 1700 11 648 0 5.2

La Figure II.2 montre l‟influence de la température de dépôt (Tdépôt) sur la Seff et

l‟indice de réfraction à 630 nm du a-SiNx:H. Des couches épaisses de 80 nm sont visées afin

de correspondre à la valeur standard souhaitée pour une CAR d‟indice égal à 2 [Lelièvre07].


- 95 -

Figure II.2. Influence de la température de dépôt (Tdépôt) sur la Seff et sur l’indice de

réfraction du a-SiNx:H. La courbe en pointillés indique la tendance observée pour n

Comme observé dans de précédentes études [Dauwe04], en diminuant la température

de dépôt les propriétés de passivation du a-SiNx:H se dégradent totalement. Les couches

déposées à 200°C provoquent ainsi des Seff supérieures à 1000 cm.s-1

, et sont donc

incompatibles avec nos objectifs. À plus haute température (450°C), des valeurs de 80 cm.s-1

sont obtenues, ce qui reste encore élevé par rapport à notre objectif.

Lors de dépôts de a-SiNx:H par PECVD à basse fréquence (40 kHz), des phénomènes

de bombardement ionique peuvent dégrader la surface du substrat [Lelièvre07]. Ceci entraîne

une interface c-Si / a-SiNx:H plus défectueuse, et donc une Seff plus élevée. Afin de diminuer

ces phénomènes de bombardement ionique, un autre réacteur PECVD fonctionnant à haute

fréquence (13.6 MHz) est utilisé. Les conditions de dépôt dans cet autre réacteur, rapportées

dans le Tableau 16, sont très différentes de celles utilisées à basse fréquence.

Tableau 16. Conditions de base pour le dépôt de a-SiNx:H à haute fréquence

(réacteur PECVD 13.56 MHz)

Puissance

(mW.cm-2

)

Pression

(mTorr)

Distance entre les

électrodes (mm)

Flux de

SiH4 (sccm)

Flux de H2

(sccm)

Flux de N2

(sccm)

295 800 23 5 0 1000


- 96 -

L‟utilisation d‟une plus haute fréquence permet une légère diminution de la valeur de

Seff à 1320 cm.s-1

pour un dépôt à 200°C. Cette valeur est encore beaucoup trop élevée pour

une utilisation en face avant des cellules Si-HJ IBC. L‟indice de réfraction de ce dernier

matériau est voisin (n = 1.9) de celui déposé à basse fréquence.

Les tendances observées dans la littérature confirment la difficulté d‟obtenir des

couches a-SiNx:H passivantes à des températures de dépôt inférieures à 300°C. Il apparaît en

effet, selon nos résultats, qu‟une simple couche de a-SiNx:H déposée à 200°C ne permet pas

d‟atteindre des valeurs de Seff compatibles avec nos objectifs. Une étude plus poussée,

concernant l‟influence d‟autres paramètres de dépôt, serait nécessaire pour tenter d‟obtenir

des faibles valeurs de Seff à une température de dépôt de 200°C. Cette étude sort cependant du

cadre de cette thèse.

1.2 Films de a-SiCx:H

Les étapes de structuration de la face arrière des cellules Si-HJ IBC peuvent nécessiter

des nettoyages HF après la fabrication de la CAR. C‟est pourquoi il est intéressant d‟étudier le

a-SiCx:H si l‟on souhaite effectuer ces étapes de nettoyage après avoir réalisé la face avant. Le

Tableau 11 liste les conditions de base - développées pour d‟autres applications – du dépôt de

couches a-SiCx:H, dans le réacteur fonctionnant à 13.6 MHz. Une température de 200°C est

choisie pour les dépôts, compatible avec l‟objectif de développer un procédé de fabrication

entièrement à basse température.

Tableau 17. Conditions de base pour le dépôt de a-SiCx:H

Puissance

(mW.cm-2

)

Pression

(mTorr)

Distance entre les

électrodes (mm)

Flux de

SiH4 (sccm)

Flux de H2

(sccm)

Flux de CH4

(sccm)

17 900-1500 23 5-50 100 70

De précédentes recherches [Ferré08] ont été menées en détail sur le matériau a-SiCx:H

appliqué aux cellules PV. Les paramètres influents sur la passivation de surface du a-SiCx:H

sont principalement le ratio des flux de gaz (silane/méthane), la température, et la pression

dans la chambre de dépôt. Les paramètres expérimentaux testés ici sont donc le flux de silane

et la pression. Les résultats, pour quatre différentes conditions expérimentales représentatives,

sont indiqués dans le Tableau 18.


- 97 -

Tableau 18. Indice de réfraction et Seff obtenus pour des couches a-SiCx:H de 80 +/-

10 nm, pour différentes conditions de dépôt

Pression

(mTorr)

Flux de

SiH4 (sccm) Seff (cm.s

-1)

Indice de réfraction

@ 630 nm

1500 5 597 2.18

1500 25 185 3.07

1500 50 100 3.45

900 50 32 4.03

Ces résultats montrent une tendance opposée entre propriétés optiques et propriétés de

passivation des couches déposées. En effet, les couches qui passivent le mieux la surface sont

également celles dont l‟indice de réfraction est le plus élevé. À l‟opposé, la couche

provoquant une forte Seff possède des caractéristiques optiques adaptées à une utilisation

comme CAR. Cette tendance nous montre qu‟une simple CAR à base de a-SiCx:H déposé à

200°C semble difficile à réaliser. Cependant, pour ce matériau il est possible d‟envisager un

dépôt à plus haute température. En effet, comme pour le a-SiNx:H, l‟augmentation de la

température de dépôt améliore les propriétés de passivation de la couche [Ferré08]. L‟étape de

dépôt de a-SiCx:H à plus haute température peut être envisagée en début de procédé, tout en

laissant la possibilité d‟effectuer des nettoyages HF par la suite.

1.3 Films d’ITO

Les films d‟oxyde transparent conducteur comme l‟ITO sont utilisés en face avant des

cellules Si-HJ standard pour collecter et conduire les charges jusqu‟au contact. Pour les

cellules IBC, cette couche conductrice en face avant n‟est plus obligatoire mais peut toutefois

être intéressante. En effet, sur les dispositifs IBC à homojonction, sur substrat de type n, un

léger dopage thermique n+ est typiquement effectué en face avant. Ce champ de surface avant

(Front Surface Field FSF) améliore la conductivité latérale de la base c-Si. Pour nos structures

IBC Si-HJ, le procédé doit être entièrement effectué à basse température (200°C). C‟est

pourquoi l‟ITO peut représenter une alternative intéressante au dopage thermique, pour

fabriquer une couche conductrice en face avant.

À la différence de l‟ITO utilisé sur les cellules Si-HJ standard, pour cette application

en face avant des cellules IBC, il est possible de se focaliser uniquement sur les propriétés

optiques de la couche. La contrainte sur ses qualités électriques, élevée pour une utilisation

sur Si-HJ standard (40 Ohms/carré), est moindre dans ce cas (150 Ohms/carré) [Granek08b].

Les différents ITO étudiés dans cette partie sont déposés par pulvérisation magnétron à des

températures inférieures à 200°C.


- 98 -

Toutes les couches d‟ITO réalisées induisent des Seff supérieures à 1000 cm.s-1

. Ces

couches ne peuvent donc pas prétendre à être utilisées en simple CAR, mais seulement en

empilement avec une couche passivante supplémentaire en surface du c-Si. Afin de

développer une couche optimisée du point de vue optique, le flux d‟O2 durant le dépôt (ΦO2)

peut être varié [Damon-Lacoste07]. Comme le montre la Figure II.3, ce paramètre a en effet

une grande influence sur les propriétés optiques et électriques de l‟ITO.

Figure II.3. Influence du flux d’O2 (ΦO2) sur la résistivité ( ) et sur l’indice de réfraction

(n) de couches d’ITO pulvérisé

L‟augmentation du flux d‟O2 diminue la conductivité de l‟ITO et améliore son indice

de réfraction. Un indice de réfraction proche de 2 est obtenu pour le plus fort flux d‟O2. Cette

condition expérimentale est donc retenue pour des applications comme CAR.

1.4 Comparaison des différents matériaux

Aucun des différents matériaux déposés à 200°C et étudiés dans les parties

précédentes n‟est utilisable en simple CAR, du fait des mauvaises propriétés de passivation de

surface constatées. Au niveau optique, ils montrent des indices de réfraction comparables

pour le a-SiNx:H (1.9) et l‟ITO (1.97), et légèrement plus élevés pour le a-SiCx:H.

Les propriétés optiques d‟une CAR ne se limitent cependant pas au seul indice de

réfraction, mais dépendent également du coefficient d‟extinction k. Ce coefficient traduit les

phénomènes d‟absorption au sein du matériau, et dépend de la longueur d‟onde du

rayonnement incident. Les valeurs de k en fonction de la longueur d‟onde sont représentées


- 99 -

sur la Figure II.4 pour les 3 matériaux différents déposés à 200°C. Pour chaque matériau

étudié précédemment, il existe en effet une condition de dépôt préférable du point de vue de

l‟indice de réfraction ou de la température de dépôt.

Figure II.4. Coefficient d’extinction k en fonction de la longueur d’onde pour les différents

matériaux de CAR étudiés : a-SiNx:H, a-SiCx:H et ITO

Les matériaux étudiés absorbent une partie du rayonnement aux faibles longueurs

d‟onde. Le a-SiCx:H développé présente des caractéristiques particulièrement mauvaises et

doit donc être exclu pour la fabrication de la CAR. En revanche l‟ITO et le a-SiNx:H ont un

comportement semblable, avec un coefficient k faible sur la plage de longueur d‟onde

considérée. Cependant le a-SiNx:H est plus transparent que l‟ITO, ce dernier présentant une

absorption non négligeable aux grandes longueurs d‟onde.

Cette première étude n‟a pas permis de déterminer une simple CAR permettant à la

fois l‟adaptation d‟indice et la passivation de surface. Il est donc nécessaire d‟étudier des

empilements adaptés, utilisant une première couche fine de passivation, et une seconde plus

épaisse pour confiner le rayonnement incident. Certains matériaux ITO et a-SiNx:H

développés dans cette partie possèdent de bonnes propriétés optique (k faible, n proche de 2).

Ils peuvent donc être utilisés en empilement dans une CAR avec une couche mince de

passivation.

CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation

- 100 -

2. Couche anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de

passivation

La partie précédente a montré la difficulté d‟obtenir un matériau combinant à la fois

des propriétés optiques et de passivation suffisantes pour une utilisation en face avant. Le but

de cette seconde partie est de développer une CAR constituée d‟un empilement de deux

matériaux différents (CAR2). Une première couche en contact avec le c-Si doit permettre

une excellente passivation de surface. La couche supérieure est simplement utilisée pour le

confinement optique. Ces deux couches doivent être peu absorbantes afin de maximiser la

transmission effective de l‟empilement.

Le matériau a-Si:H est un bon candidat pour la fabrication d‟une couche de

passivation ultra-mince. Des couches de quelques nm sont en effet couramment utilisées pour

passiver efficacement la surface du c-Si dans les cellules Si-HJ. C‟est pourquoi nous étudions

dans un premier temps les propriétés de passivation de surface de différentes couches a-Si:H

intrinsèques, et dopées (n). Les pertes provoquées par l‟absorption du rayonnement ainsi que

par les recombinaisons de surface sont ensuite estimées en fonction de l‟épaisseur déposée.

Enfin, cette seconde partie se focalise sur les empilements constitués d‟une couche de

a-Si:H mince et d‟une couche de confinement optique. L‟impact du dépôt de la couche de

confinement optique sur la Seff des couches minces de passivation est étudié, ainsi que la Teff

des différents empilements réalisés.

2.1 Couche de a-Si:H mince de passivation

L‟utilisation d‟une couche mince de passivation en face avant suppose - comme pour

les cellules Si-HJ standard - un compromis sur l‟épaisseur de a-Si:H entre absorption et

passivation de surface. En effet, les résultats obtenus dans le premier chapitre montrent que

plus la couche a-Si:H est épaisse, plus sa Seff diminue (jusqu‟à une trentaine de nm). Mais son

épaisseur augmentant, une partie plus importante du rayonnement est absorbée et perdue. Une

étude est donc nécessaire pour déterminer l‟épaisseur optimale de couches a-Si:H intrinsèques

et dopées (n), permettant de passiver correctement le substrat c-Si.

2.1.1 Étude du a-Si:H intrinsèque

Les matériaux a-Si:H sans dopant - intrinsèques (i) - permettent la plupart du temps

d‟obtenir les plus faibles Seff. Les paramètres de dépôt pour les couches a-Si:H (i)

développées sont listés dans le Tableau 19.


- 101 -

Tableau 19. Conditions de base pour le dépôt d’a-Si:H (i)

Puissance

(mW.cm-2

)

Pression

(mTorr)

Distance entre les

électrodes (mm)

Flux de

SiH4 (sccm)

Flux de H2

(sccm)

17-20 1500 23 25 0-100

Dans un premier temps, l‟influence du flux de H2 (ΦH2) sur les propriétés de

passivation de couches a-Si:H (i) est étudiée. La Figure II.5 montre les courbes de durée de

vie effective obtenues pour différents flux de H2 lors du dépôt. Les couches déposées sont

épaisses de 30 +/- 4 nm. La condition sans H2 nécessite une puissance de 20 mW.cm-2

pour

démarrer le plasma, contre 17 mW.cm-2

avec H2. Dans le a-Si:H (i), la quantité d‟atomes

d‟hydrogène, et surtout le type de liaisons qu‟ils forment avec le silicium, peuvent influencer

les propriétés de passivation de la couche [Das07]. Les spectres FTIR insérés dans la Figure

II.5 apportent des informations sur le type de liaisons formées par les atomes H dans le a-

Si:H. La présence d‟hydrogène sous forme polyhydrique (SiH2)n n‟est pas souhaitable car elle

produit des défauts dans le matériau. Sous forme monohydrique (SiH), l‟hydrogène permet de

réaliser des couches a-Si:H de bonne qualité. Le mode d‟élongation des liaisons SiH est situé

à 2000 cm-1

, et celui des liaisons (SiH2)n à 2090 cm-1

.

Figure II.5. Mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d’injection pour

différentes couches de a-Si:H (i). Des mesures FTIR de ces couches sont également

présentées en insert


- 102 -

Sans apport de H2 lors du dépôt de a-Si:H (i), les liaisons polyhydriques sont plus

présentes que les monohydriques. Les défauts induits par ces liaisons ont visiblement un

impact sur la durée de vie effective mesurée sur les couches déposées. La Seff obtenue avec

cette condition de dépôt est de 30 cm.s-1

. Les couches a-Si:H (i) déposées avec un flux de H2

sont sensiblement de meilleure qualité avec des Seff de 13 cm.s-1

(ΦH2 = 50 sccm) et 11 cm.s-1

(ΦH2 = 100 sccm). L‟ajout d‟un flux de H2 permet en effet de diminuer le nombre de liaisons

(SiH2)n pour les remplacer par des SiH. Entre les conditions à 50 et 100 sccm, l‟absorption de

la couche à 2000 cm-1

augmente fortement, ce qui montre que l‟augmentation du flux de H2

entraîne une plus forte concentration de liaisons monohydriques dans la couche. La meilleure

passivation de surface d‟une couche a-Si:H (i) est donc obtenue avec le plus fort flux de H2

permis par le débitmètre. Cette couche intrinsèque permettant un Seff très faible est choisie

pour la suite de l‟étude.

2.1.2 Comparaison entre le a-Si:H intrinsèque et le a-Si:H dopé (n)

Nous avons vu dans le premier chapitre qu‟un a-Si:H légèrement dopé (n) pouvait

atteindre des Seff inférieures à 50 cm.s-1

. Une couche a-Si:H (n) fine peut en effet également

être utilisée en face avant, pourvu que ses propriétés de passivation restent bonnes même à

faible épaisseur. Dans cette partie, un faible flux de Phosphine (5 sccm) est utilisé pour la

fabrication de la couche a-Si:H (n). En effet, pour cette application la conductivité de la

couche est moins cruciale que pour la fabrication du BSF. Un flux de gaz dopant proche des

limites du débitmètre peut donc être utilisé. L‟influence de l‟épaisseur de cette couche a-Si:H

(n) ainsi que celle d‟a-Si:H (i) sélectionnée précédemment est montrée sur la Figure II.6.

Figure II.6. Mesures de Seff en fonction de l’épaisseur de a-Si:H déposée pour une couche

intrinsèque et une couche dopée (n)


- 103 -

La couche (i) permet d‟atteindre des valeurs de Seff inférieures à 20 cm.s-1

, même avec

une épaisseur inférieure à 10 nm. La couche (n) est légèrement moins efficace, avec des

valeurs inférieures à 25 cm.s-1

. Les deux types de couche a-Si:H montrent le même

comportement en fonction de l‟épaisseur: la Seff diminue fortement avec l‟épaisseur, jusqu‟à

une dizaine de nm, puis évolue plus lentement avec une épaisseur croissante. Pour atteindre

les plus faibles valeurs de Seff, il est donc nécessaire de déposer des couches d‟environ 30 nm

d‟épaisseur.

L‟utilisation de la couche (i) semble préférable à la couche (n) du point de vue de la

vitesse de recombinaison de surface. Cependant, l‟observation des mesures de durée de vie

effective en fonction du niveau d‟injection apporte des informations complémentaires par

rapport à la simple valeur de Seff mesurée à un soleil. La comparaison des mesures de durée de

vie effective effectuées avec la couche (i) et la couche (n) est visible sur la Figure II.7. Ces

mesures montrent des tendances très différentes entre la couche dopée et celle intrinsèque.

Figure II.7. Mesures de τeff en fonction du niveau d’injection pour une fine couche de a-Si:H

(i) ou (n)

Une couche a-Si:H dopée permet de diminuer les recombinaisons de surface

principalement par effet de champ. La Figure II.7 montre que l‟effet de champ permis par la

couche a-Si:H (n) est particulièrement efficace à faible injection. La τeff mesurée atteint alors

des valeurs supérieures à 1 ms puis décroît avec l‟augmentation du niveau d‟injection. En

effet, à faible injection, l‟effet de champ est assez efficace pour repousser les porteurs

minoritaires. En revanche, lorsque la densité de porteurs minoritaires augmente, l‟effet de

champ ne permet plus d‟éviter leur recombinaison en surface.


- 104 -

Pour une couche intrinsèque, la passivation est effectuée principalement par saturation

des liaisons pendantes. La réduction de la densité d‟états d‟interface (Dit) est en effet un

moyen efficace de réduire les recombinaisons en surface du c-Si. La couche intrinsèque

étudiée ici permet donc d‟obtenir de meilleures τeff, surtout à forte injection. À plus faible

injection, les porteurs en excès recombinent tout de même sur les rares défauts d‟interface

présents. La valeur de τeff décroît ainsi vers les faibles niveaux d‟injection. Afin de confirmer

ces observations, et tenter de combiner à la fois les avantages d‟une couche (i) et d‟une

couche (n), il est nécessaire d‟étudier le comportement de l‟empilement a-Si:H (i) / a-Si:H

(n).

2.1.3 Étude de l’empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n)

Une couche (i), également appelée couche « tampon » (buffer layer), est souvent

insérée entre les couches dopées et le substrat c-Si pour améliorer la passivation de surface.

Cette partie a pour but d‟étudier le comportement d‟empilements a-Si:H (i) / a-Si:H (n) au

niveau des propriétés de passivation. Nos résultats expérimentaux, représentés sur la Figure

II.8, montrent la forte influence de l‟épaisseur de la couche a-Si:H (i) sur la τeff de

l‟empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n). Ces résultats soulignent l‟influence distincte des deux

mécanismes de passivation de surface permis par le a-Si:H.

Figure II.8. Mesures de τeff en fonction du niveau d’injection pour des empilements de

couches a-Si:H (i) et (n)


- 105 -

L‟empilement constitué d‟une couche intrinsèque fine (5 nm) recouverte d‟une épaisse

couche dopée se comporte de la même manière que la couche dopée seule. Le mécanisme de

passivation par effet de champ est donc bien présent malgré la présence de a-Si:H (i). La

courbe de τeff en fonction du niveau d‟injection atteint des valeurs beaucoup plus élevée que

pour le simple a-Si:H (n), car la fine couche intrinsèque permet de diminuer la Dit. Pour une

épaisseur plus grande de la couche tampon dans l‟empilement, le comportement de τeff est

plus proche de celui d‟une couche a-Si:H (i) seule. Cependant une légère augmentation de τeff

est visible à faible injection, traduisant la présence d‟un effet de champ supplémentaire dû à la

couche dopée. Cet effet de champ est donc diminué par la couche intrinsèque de 20 nm alors

qu‟il n‟est quasiment pas impacté par la couche de 5 nm.

Les différents empilements a-Si:H (i) / a-Si:H (n) réalisés apportent des informations

cruciales pour la compréhension des phénomènes de passivation. Une vitesse de

recombinaison de surface de 7 cm.s-1

est obtenue pour le meilleur empilement fabriqué. Il

semble donc également intéressant de l‟utiliser comme couche de passivation en face avant.

2.1.4 Choix de la couche mince de passivation

La couche mince de passivation doit montrer le meilleur compromis entre pertes

optiques (absorption) et pertes par recombinaison (Seff). La Figure II.9 montre l‟influence

simulée d‟une épaisseur croissante de a-Si:H (n) sur la transmission (T) d‟une CAR2 utilisant

du a-SiNx:H comme couche de confinement optique. La même tendance est obtenue avec une

couche intrinsèque.

Figure II.9. Simulations de la transmission (T) de CAR2 constituées de a-Si:H d’épaisseur

variable recouvert par 80 nm de a-SiNx:H. Résultats obtenus à l’aide du logiciel Optilayer


- 106 -

Selon la Figure II.9, plus la couche a-Si:H est épaisse, plus T diminue pour les

longueurs d‟onde inférieures à 700 nm. Une perte d‟environ 0.15 mA.cm-2

sur la valeur du Jcc

peut ainsi être attribuée pour chaque nm de a-Si:H supplémentaire en face avant. Il est donc

nécessaire de sélectionner des couches de passivation les plus fines possible. Cependant la Seff

de ces couches doit être suffisamment basse afin de ne pas perdre en recombinaison de

surface ce que l‟on peut gagner en transmission du rayonnement incident.

Nos simulations 2D montrent en effet que pour des Sfav comprises entre 10 et 40 cm.s-1

la valeur de Jcc décroît de 0.09 mA.cm-2

par cm.s-1

supplémentaire. Il est donc nécessaire de

considérer pour chaque couche à la fois l‟influence de l‟épaisseur (-0.15 mA.cm-2

par nm), et

celle de la Seff (-0.09 mA.cm-2

par cm.s-1

). La Figure II.10 montre les pertes totales en Jcc

occasionnées par les différentes couches minces de passivation étudiées. Ces valeurs sont à

considérer par rapport à une structure de face avant idéale (épaisseur et Sfav nulles) pour un

éclairement AM1.5.

Figure II.10. Pertes en Jcc globales causées par l’épaisseur et la Seff de différentes couches

minces de passivation par rapport au cas idéal (e et Seff nulles)

Le meilleur compromis entre pertes par absorption et pertes par recombinaisons est

atteint pour des couches épaisses de 8 à 10 nm. Au delà de cette épaisseur, l‟amélioration de

Seff ne compense pas la plus forte absorption dans les couches, et ce même pour l‟empilement

(i+n) à faible Seff (7 cm.s-1

). La couche intrinsèque de 9 nm permet les plus faibles pertes en

Jcc (3 mA.cm-2

). La couche dopée (n) de 8 nm limite les pertes à environ 3.3 mA.cm-2

. Ces

pertes sont calculées pour une utilisation sous AM1.5.


- 107 -

Le matériau dopé (n) montre cependant des propriétés de passivation de surface

supérieures à faible injection (Figure II.7). Le niveau d‟injection est lié à l‟intensité de

l‟éclairement: le nombre de porteurs photogénérés augmente avec une intensité lumineuse

croissante. Le matériau dopé est donc capable d‟apporter une bonne passivation de surface,

même à faible éclairement. La couche intrinsèque, dont les propriétés de passivation se

dégradent aux bas niveaux d‟injection, n‟est en revanche pas idéale pour un fonctionnement à

faible éclairement. Cette caractéristique est particulièrement importante, car en utilisation

réelle les cellules photovoltaïques sont souvent soumises à un éclairement d‟intensité

inférieure à celle du spectre AM1.5.

Il est donc préférable d‟utiliser en face avant un matériau permettant une Seff aussi

bonne, voire meilleure, à faible injection que sous éclairement AM1.5. De plus, certaines

méthodes de caractérisation comme le LBIC ou la réponse spectrale se font à faible injection.

Avec une couche dont les propriétés ne se dégradent pas à faible éclairement, ces

caractérisations sont donc envisageables sans utiliser de « bias-light ». C‟est pourquoi la

couche a-Si:H (n) sera utilisée dans la suite de l‟étude pour la passivation de la face avant des

cellules Si-HJ IBC.

2.2 Caractérisation des couches anti-reflet utilisant une couche de a-

Si:H mince de passivation

Selon les études menées dans les parties précédentes, la CAR2 doit être constituée

d‟un film mince passivant de a-Si:H (n), recouvert d‟une couche d‟ITO ou de a-SiNx:H pour

le confinement optique. Le premier point à vérifier sur ces empilements est que le dépôt de la

seconde couche ne dégrade pas la première. Il est ensuite nécessaire de caractériser les pertes

optiques occasionnées par les différents empilements.

2.2.1 Influence du dépôt de la couche de confinement optique

Dans notre étude, l‟ITO et le a-SiNx:H sont déposés à 200°C, comme le a-Si:H (n).

Tout traitement thermique qui suit le dépôt de la couche passivante peut cependant avoir une

influence sur la Seff de cette couche. En fonction du matériau sur lequel le traitement

thermique est effectué, cette influence peut aussi bien être bénéfique que mauvaise

[DeWolf07b]. La Figure II.11 montre l‟impact du dépôt d‟ITO et de a-SiNx:H sur la Seff de

nos couches a-Si:H (n) minces.


- 108 -

Figure II.11. Variation de Seff des couches minces de passivation a-Si:H (n) soumises au

dépôt de différentes couches de confinement optique (ITO et a-SiNx:H)

Ces résultats montrent que la couche a-Si:H (n) de 8 nm n‟est pas dégradée par le

dépôt d‟une couche supplémentaire. La couche de 5 nm résiste également au dépôt de a-

SiNx:H. Cependant, le dépôt d‟ITO dégrade fortement ses propriétés de passivation. Cette

différence vient probablement du mode de dépôt différent pour l‟ITO (pulvérisation) et pour

le a-SiNx:H (PECVD). Cette méthode introduit un bombardement de la surface plus important

et dégrade la couche a-Si:H (n) de 5 nm. Une couche a-Si:H (n) de 8 nm garde bien ses

propriétés de passivation de surface après le dépôt de la couche de confinement optique. Ceci

valide son utilisation en tant que couche de passivation insérée dans la CAR2 des cellules Si-

HJ IBC.

2.2.2 Pertes optiques

Les empilements utilisés pour la CAR2 sont constitués de deux couches qui absorbent

et réfléchissent une partie du rayonnement incident. Afin de quantifier les pertes optiques

dues aux différents empilements en face avant, des simulations optiques de transmission sont

nécessaires. Ces simulations, montrées sur la Figure II.12, se basent sur des mesures de

spectrophotométrie permettant de déterminer les caractéristiques optiques de chaque couche.

Ces résultats montrent que l‟utilisation d‟une CAR2 est moins efficace du point de vue de la

transmission effective qu‟une simple CAR de a-SiNx:H déposé à 450°C (haute température

HT). Ceci est en partie dû à l‟absorption dans la couche passivante en a-Si:H (n) de la CAR2.

La Teff de la couche a-SiNx:H HT atteint quasiment 90%, et est donc proche de notre objectif.

D‟un simple point de vue optique, il serait donc préférable d‟utiliser la simple CAR

permettant une haute valeur de Teff.


- 109 -

Cependant, le gain sur le Jcc permis par une Teff supérieure est contrebalancé par des

recombinaisons de surface plus importantes. En effet, le a-SiNx:H HT développé permet Seff

de 80 cm.s-1

, occasionnant des pertes en courant de plusieurs mA.cm-2

. Comme nous l‟avons

montré dans les parties précédentes, une CAR2 permet d‟obtenir des Seff beaucoup plus

faibles que la couche a-SiNx:H HT. Il est donc préférable d‟utiliser un empilement (a-Si:H (n)

/ couche de confinement optique) par rapport à cette simple CAR, en dépit de leur Teff

légèrement inférieure.

Figure II.12. Transmission effective de différents empilements utilisables en face avant

d’une cellule IBC Si-HJ

Selon ces modélisations, il est préférable d‟utiliser du a-SiNx:H déposé à basse

température (BT) plutôt que de l‟ITO comme couche de confinement optique dans la CAR2.

La Teff est en effet 2 % plus élevée dans le cas de l‟ITO. Ces résultats peuvent s‟expliquer par

le coefficient d‟extinction plus élevé de l‟ITO par rapport au a-SiNx:H (Figure II.4). Ce

matériau conducteur absorbe ainsi une plus grande partie du rayonnement incident aux faibles

et grandes longueurs d‟ondes. La CAR2 possédant les meilleures propriétés est donc

constituée d‟un empilement a-Si:H(n) 8nm / a-SiNx:H BT 80 nm. Elle atteint une faible valeur

de Seff (25 cm.s-1

) ainsi qu‟une transmission effective de 85%.

CHAPITRE II Conclusions

- 110 -

Conclusions du Chapitre II

Ce deuxième chapitre a montré la difficulté de réaliser une simple CAR pouvant à la

fois passiver la surface et montrer des propriétés optiques satisfaisantes. Ceci est dû à notre

objectif de maintenir toutes les étapes de fabrication à des températures basses (environ

200°C). L‟obtention de simples CAR répondant aux objectifs fixés est cependant

envisageable si l‟on enlève cette contrainte en température. Un travail d‟optimisation des

couches a-SiNx:H et a-SiCx:H déposées à plus haute température permettrait probablement

d‟atteindre à la fois une Seff très faible et un bon confinement optique.

Il a donc été nécessaire d‟insérer une fine couche a-Si:H de passivation entre le

substrat c-Si et la couche de confinement optique. Le meilleur compromis entre l‟absorption

et la Seff de cette couche est atteint pour une épaisseur d‟environ 8 nm. L‟utilisation d‟une

couche légèrement dopée a été favorisée par rapport à une couche purement intrinsèque. En

effet, la première permet de passiver efficacement la surface même à faible injection, grâce au

mécanisme d‟effet de champ. Ceci n‟est pas le cas avec la couche (i) dont la Seff augmente à

faible injection.

Une couche anti-reflet optimisée pour une utilisation en face avant de la structure Si-

HJ IBC a pu être déterminée. Cette CAR2 est constituée d‟un empilement a-Si:H (n) 8nm / a-

SiNx:H BT 80 nm réalisé entièrement à 200°C. Les objectifs, en terme de passivation de

surface et de transmission effective, ne sont pas totalement atteints. En effet, l’empilement

développé atteint une valeur de Seff de 25 cm.s-1

ainsi qu’une Teff de 85%. Ces résultats

doivent être améliorés pour atteindre des valeurs de Jcc compatibles avec les très hauts

rendements. Ils sont toutefois suffisants, dans un premier temps, pour développer les cellules

IBC Si-HJ.

- 111 -

CHAPITRE III : DETERMINATION D’UN PROCEDE DE

LOCALISATION DES EMPILEMENTS EN FACE ARRIÈRE

La réalisation des cellules Si-HJ IBC nécessite des étapes de masquage afin de

localiser les différents dépôts de a-Si:H et des matériaux de contact. Le choix d’un procédé

de localisation est donc déterminant pour la réalisation de dispositifs Si-HJ IBC fonctionnels.

Ce chapitre présente l‟étude et la comparaison de différentes méthodes de localisation

utilisant la sérigraphie, le LASER et les masques métalliques.

Ces différents procédés sont d‟abord décrits dans une première partie. L‟influence de

la valeur de tolérance sur les alignements entre les différents dépôts est ensuite évaluée. Cette

tolérance est déterminée pour chaque méthode de localisation. Les procédés permettant une

précision suffisante sont ensuite comparés au niveau de leur nombre d’étapes, et de leur

impact sur la qualité des couches déposées. Cet impact est quantifié par des mesures de

durée de vie (IC-PCD ou cartographie µW-PCD) sur des structures de test.

Nous avons appliqué les différentes techniques de localisation d‟abord à la

structuration des dépôts de a-Si:H (PECVD) puis à celle des métallisations (pulvérisation).

La photolithographie n‟a pas été utilisée dans la mesure où ce procédé n‟est pas viable pour la

fabrication industrielle de cellules photovoltaïques en c-Si. Les trois méthodes choisies sont,

de plus, potentiellement compatibles entre elles grâce à l‟utilisation de mires d‟alignement

communes.

CHAPITRE III 1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H

- 112 -

1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H

Trois procédés différents sont présentés dans cette partie. Le procédé nommé

« masques métalliques » ne nécessite pas de couche sacrificielle dans la mesure où les dépôts

sont directement localisés à travers le masque. En revanche, les procédés « LASER » et

« sérigraphie » reposent sur la structuration d‟une couche sacrificielle sur laquelle est déposée

la couche a-Si:H à localiser. Une gravure chimique adaptée permet le détachement (lift-off)

de la couche à localiser aux endroits où la couche sacrificielle n‟a pas été gravée (Figure

III.1). Dans cette partie, nous étudions d‟abord les procédés utilisant une couche sacrificielle.

Le procédé « masques métalliques », qui évite les étapes de dépôt et de structuration de cette

couche, est ensuite décrit.

Figure III.1. Localisation d’une couche a-Si:H par l’utilisation d’une couche sacrificielle

(SiO2/SiN) structurée

1.1 Description de la couche sacrificielle

Dans notre cas, la couche sacrificielle est constituée de deux matériaux diélectriques

superposés qui diffèrent par leur vitesse de gravure dans le HF (Vg). La première couche est

constituée de SiO2 (Vg = 5 nm.s-1

) tandis que la seconde est en a-SiNx:H (Vg = 0.5 nm.s-1

). Ces

matériaux sont déposés successivement par PECVD à la température de 200°C. Les

conditions de dépôt du SiO2 sont reportées dans le Tableau 20, tandis que celles du a-SiNx:H

sont les mêmes que pour une utilisation comme CAR (voir chapitre précédent).

Tableau 20. Conditions de dépôt du SiO2 utilisé dans la couche sacrificielle

Puissance

(mW.cm-2

)

Pression

(mTorr)

Distance entre les

électrodes (mm)

Flux de

SiH4 (sccm)

Flux de He

(sccm)

Flux de N20

(sccm)

337 800 23 20 600 400


- 113 -

La couche sacrificielle comporte une couche inférieure en SiO2 (300 nm) recouverte

d‟une couche supérieure de nitrure de silicium (80 nm). La différence de vitesse de gravure

entre les deux matériaux permet l‟apparition d‟un relief (« casquette ») lors de la gravure HF.

Ce relief facilite le détachement de la couche sacrificielle après le dépôt de la couche a-Si:H.

La couche sacrificielle doit être structurée de manière à laisser apparaître la zone de

localisation du a-Si:H. Cette étape est réalisable directement par ablation LASER ou en

utilisant la sérigraphie de pâtes gravantes ou masquantes.

1.2 Procédé « LASER »

Pour notre application, l‟objectif est de structurer une couche (SiO2/SiN) épaisse

d‟environ 400 nm. L‟outil disponible n‟est pas particulièrement adapté dans la mesure où il

est plutôt utilisé pour graver le c-Si. Pour localiser une couche a-Si:H par le procédé LASER,

plusieurs étapes de fabrication sont nécessaires :

1. Dépôt de la couche sacrificielle

2. Gravure LASER

2. Nettoyage de la surface

4. Dépôt a-Si:H

5. Lift Off (HF)

L‟étape de gravure LASER dure plus ou moins longtemps en fonction des paramètres

choisis et de la surface à graver. Quelques secondes suffisent en général pour structurer un

substrat de 150 cm2. La Figure III.2 montre que la gravure LASER effectuée avec nos

conditions expérimentales ne permet pas réellement l‟ablation de la couche diélectrique mais

seulement sa perforation par de multiples impacts. Il n‟est pas évident, avec l‟appareil

disponible, de procéder à une gravure plus douce et plus complète de la couche diélectrique.

Une gravure chimique (KOH par exemple) est alors nécessaire pour ouvrir en totalité la

couche sacrificielle.

Figure III.2. Photographie d’une zone gravée au LASER avec les conditions : Intensité =

32.0 A / Fréquence = 64 000 Hz / Vitesse = 200 mm.s-1

/ Recouvrement 75%


- 114 -

1.3 Procédé « sérigraphie »

La réalisation des étapes de masquages par sérigraphie peut se faire de différentes

manières en fonction du produit sérigraphié (pâte gravante ou masquante). Nous étudions ici

un procédé à base de pâte polymère masquante, résistante au HF et sérigraphiée sur la couche

sacrificielle. L‟utilisation de cette pâte masquante directement comme couche sacrificielle

pour le lift off n‟est pas envisageable pour des raisons de contamination de la chambre

PECVD. En effet, la pâte de sérigraphie est composée de différents polymères et sa pureté

n‟est pas assurée. C‟est pourquoi il est préférable de transférer le motif de pâte polymère

sérigraphiée sur la couche sacrificielle déposée par PECVD. L‟empilement (SiO2/SiN) est

plus « propre » et compatible avec les dépôts de a-Si:H.

Le motif sérigraphié correspond à la zone qu‟on souhaite laisser libre de tout dépôt

après l‟étape de lift off (voir Figure III.3). Les différentes étapes nécessaires à la structuration

de la couche sacrificielle par sérigraphie sont les suivantes :

1. Dépôt de la couche sacrificielle

1.1. Sérigraphie de pâte masquante

1.2. Gravure HF

2. Nettoyage de la pâte masquante

Figure III.3. Utilisation de pâte masquante sérigraphiée pour l’ouverture de la couche

sacrificielle

1.4 Procédé « masques métalliques »

Le dernier procédé étudié repose sur l‟utilisation de masques métalliques ouverts

localement. L‟objectif est de placer le masque directement sur le substrat c-Si pendant les

différents dépôts. Les matériaux sont ainsi déposés dans les zones ouvertes, tandis qu‟aucune

couche n‟est déposée dans les parties couvertes. Une première option est de fabriquer les

masques par gravure LASER d‟un substrat métallique [Tucci07].


- 115 -

Cette méthode simple et rapide a cependant l‟inconvénient de provoquer des

contraintes dans le masque qui peuvent nuire à sa planéité. Or, plus le masque est plan, plus le

dépôt est conforme au motif désiré. Nous avons donc choisi la méthode d‟électrodéposition de

nickel pour la fabrication de nos masques. Cette méthode permet en effet d‟obtenir une

planéité maximale des masques, ainsi qu‟une grande précision dans la définition des motifs.

Un masque métallique structuré, ainsi que son utilisation schématique, sont schématisés sur la

Figure III.4.

Figure III.4. Masque métallique pour localiser l’émetteur (a) et principe d’utilisation

schématique (b)

CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des

procédés de localisation des couches de a-Si:H

- 116 -

2. Étude de la tolérance sur les alignements et comparaison

des procédés de localisation des couches de a-Si:H

La valeur de tolérance entre les dépôts a une influence à la fois sur la géométrie des

dispositifs et sur leur rendement. Cet aspect est étudié dans une première partie. Pour chaque

procédé décrit précédemment, la tolérance est ensuite déterminée en fonction de la précision

des alignements et de la conformité des dépôts. Enfin, les méthodes permettant une tolérance

suffisante sont comparées en fonction du nombre d‟étapes de procédé et de leur impact sur la

qualité de passivation des couches déposées.

2.1 Influence de la tolérance entre les alignements

La valeur de tolérance entre les différents alignements doit être réduite au maximum.

En effet, cette valeur détermine en partie la largeur des dépôts en face arrière et donc la

géométrie de la cellule. La structure unitaire de nos cellules Si-HJ IBC est représentée sur la

Figure III.5 avec la contribution des différentes tolérances entre les alignements.

Figure III.5. Schéma de notre structure Si-HJ IBC, avec les différentes tolérances entre les

dépôts en la face arrière

La première tolérance (T.1) apparaît entre l‟émetteur et le BSF. Les tolérances T.2 et

T.3 concernent le recouvrement entre la zone de gap et les zones émetteur et BSF. Les

matériaux de contact de l‟émetteur et du BSF sont quant à eux localisés à une distance T.4 et

T.5 de la zone de gap. En fonction de la valeur de tolérance entre les dépôts, il est donc clair

que la géométrie de la structure Si-HJ IBC varie. Cette valeur de tolérance dépend de

l‟incertitude sur les alignements des différentes zones permises par le procédé de localisation.

Sur les cellules Si-HJ IBC expérimentales, la largeur du contact de l‟émetteur et celle du BSF

sont fixées respectivement à 1 mm et 650 µm. Dans la modélisation, seule la structure unitaire

est simulée et ces valeurs sont donc respectivement égales à 500 µm et 325 µm. La Figure

III.6 montre l‟influence de la valeur de tolérance sur les paramètres électriques d‟une cellule

Si-HJ IBC modélisée.



- 117 -

Figure III.6. Influence de la tolérance entre les différents alignements sur le rendement des

cellules Si-HJ IBC simulées. La face arrière de notre structure est constituée de cinq dépôts

différents (émetteur, BSF, gap, contact émetteur, contact BSF)

Pour des valeurs élevées de tolérance, les paramètres électriques des cellules Si-HJ

IBC se dégradent. Ces pertes sont dues à des phénomènes résistifs (FF diminue) et à la

diminution de la surface de l‟émetteur par rapport à la surface totale (Jcc diminue). En

revanche, le Vco augmente légèrement pour des valeurs croissantes de tolérance. Ceci peut

être attribué au plus faible pourcentage de la surface occupée par l‟émetteur, pour les

structures utilisant une tolérance élevée. Sur ces dispositifs, l‟influence des recombinaisons

dans l‟émetteur (J0e) est donc légèrement réduite. Une tolérance inférieure à 100 µm est

nécessaire pour se rapprocher des hauts rendements, cette valeur constitue donc un objectif à

atteindre par les procédés de localisation testés.

2.2 Procédé « LASER »

Le LASER utilisé permet théoriquement un alignement à +/- 50 µm, cependant un

problème de focalisation sur le LASER est apparu sur nos échantillons. La Figure III.7 montre

un exemple de déviation du rayon constaté.



- 118 -

Figure III.7. Images MEB de la surface du c-Si après gravure LASER et nettoyage KOH

Ce problème n‟a pas pu être résolu rapidement, et ceci a limité l‟utilisation du LASER

pour localiser les différents empilements. Avec les outils dont nous disposions, une tolérance

inférieure à 100 µm entre les dépôts n‟a pas pu être atteinte. Le procédé « LASER » n‟est

donc pas sélectionné pour la suite de l‟étude. Cette technique reste cependant une option très

intéressante nécessitant une étude approfondie sur un outil plus adapté (LASER femtoseconde

par exemple).


Dans un premier temps, la localisation d‟une simple couche de a-Si:H est effectuée

expérimentalement. Pour cela, un masque de sérigraphie permettant la définition de la zone

d‟émetteur est testé. Le motif de ce masque représente le « négatif » de la zone d‟émetteur. Il

s‟agit ici d‟obtenir une zone d‟émetteur localisée. Les Figure III.8 et Figure III.9 présentent un

détail du motif réalisé.

Figure III.8. Motif pâte polymère (à gauche) et masque sacrificiel correspondant (à droite)



- 119 -

Par rapport au motif initial de l‟écran de sérigraphie, le motif gravé dans la couche

sacrificielle est plus large d‟environ 50 µm. En effet la pâte de sérigraphie ne reproduit pas

fidèlement le motif de l‟écran mais dépasse de 25 µm par rapport à ce motif. Ainsi la zone

non protégée prévue avec une largeur de 1100 µm est en réalité large de 1050 µm. La Figure

III.8 révèle également la présence de défauts de surface après gravure de la couche

sacrificielle et nettoyage de la pâte polymère. La zone sur laquelle le a-Si:H doit être déposé

(zone la plus large sur les images) n‟est en effet pas uniforme. Cependant, après les étapes de

nettoyage HF, dépôt a-Si:H et lift off, ces défauts de surface ne sont plus visibles (Figure

III.9).

Figure III.9. Dépôt a-Si:H localisé à l’aide du procédé sérigraphie: vue d’ensemble après

lift off (à gauche) et détail (à droite)

On peut voir sur la Figure III.9 que d‟autres défauts apparaissent, après le lift off, sur

les bords de la zone a-Si:H localisée. Il semble que la couche a-Si:H ne soit pas parfaitement

définie à cause de ces inhomogénéités. Des mesures AFM (Figure III.10) montrent qu‟un fort

relief existe effectivement à la frontière du dépôt de silicium amorphe. D‟après ces mesures,

la conformité du dépôt a-Si:H n‟est pas parfaite. Une zone défectueuse d‟environ 5 µm est en

effet présente sur les bords du a-Si:H localisé. Cette contribution, ainsi que celle due à la

mauvaise définition du motif sérigraphié, doit être prise en compte lors de la conception des

écrans de sérigraphie.

Figure III.10. Mesures topographiques (AFM mode tapping) à la frontière d’une zone a-Si:H

localisée à l’aide du procédé sérigraphie



- 120 -

L‟incertitude sur les alignements permise par le procédé de sérigraphie est de +/- 50

µm. La tolérance permise par ce procédé de localisation est donc de l‟ordre de 100 µm. Il

s‟agit d‟un procédé industriel théoriquement compatible avec l‟obtention de hauts rendement

sur la structure Si-HJ IBC.


Pour assurer un alignement correct entre les différents dépôts, un système de pions

d‟indexation a été développé. Sur les côtés de chaque masque, deux trous destinés à accueillir

ces pions sont percés (voir Figure III.4). Dans le substrat c-Si, deux trous sont également

réalisés par gravure LASER de manière à coïncider avec l‟écartement des pions. Ainsi,

l‟alignement entre les masques est assuré de manière mécanique par l‟insertion des deux pions

du masque dans les trous du substrat. La précision de l‟alignement dépend donc de la

différence entre le diamètre du pion (DP) et celui du trou (DT). La valeur de DP est fixée à

1000 (+/- 10) µm et celle de DT à 1050 (+/- 10) µm. Globalement, l‟incertitude dans cet

alignement mécanique est donc estimée à +/- 70 µm.

Pour les premiers essais, des masques avec une épaisseur de 100 µm ont été utilisés.

L‟insertion en force des pions d‟indexation provoque cependant des contraintes mécaniques

qui déforment légèrement ces masques. Ceci entraîne des inhomogénéités dans le dépôt a-

Si:H avec des zones mal définies. Afin de limiter la déformation des masques, une épaisseur

de 180 µm est alors choisie. Cette valeur correspond au maximum proposé par le fabriquant.

Un système d‟aimants placés sous le substrat est également utilisé pour permettre un meilleur

plaquage des masques (voir Figure III.11).

Figure III.11. Dispositif expérimental pour le dépôt à travers un masque métallique

Avec ce dispositif, les dépôts a-Si:H sont plus conformes au motif du masque (voir

Figure III.12-a). Des mesures complémentaires de résistivité locale (SSRM : Scanning

Spreading Resistance Measurement) sont visibles sur la Figure III.12–b.



- 121 -

Figure III.12. a) Photographie d’un dépôt a-Si:H localisé par le procédé masques

métalliques; b) Cartographie en résistance de surface (« Scanning Spreading Resistance »,

mode contact) au bord d’une zone a-Si:H localisée à l’aide d’un masque métallique

Sur la Figure III.12–b, une forte tension mesurée est synonyme de forte résistance, et

révèle la présence d‟a-Si:H. La zone a-Si:H est beaucoup plus résistive que la zone c-Si, c‟est

pourquoi la valeur de tension mesurée varie entre les deux zones. Cette mesure montre que la

transition entre les deux zones n‟est pas abrupte, mais s‟étend sur une dizaine de µm de large.

La tolérance globale de ce procédé utilisant un alignement mécanique peut donc être estimée

à une centaine de µm, compatible avec la fabrication de dispositifs à hauts rendements.



- 122 -

2.5 Comparaison des procédés de localisation des couches a-Si:H

Un des paramètres critiques pour l‟évaluation d‟un procédé de localisation est son

impact sur la qualité de passivation des couches a-Si:H. En effet, le principal avantage de

l‟hétérojonction silicium appliquée aux cellules solaires est sa capacité à passiver

efficacement la surface du c-Si. Il est donc nécessaire de conserver au maximum cet avantage

après les étapes de localisation. La Figure III.13 montre les cartographies en durée de vie de

structures tests pour chaque procédé de localisation. Le procédé LASER n‟est pas évalué ici,

car les premières études effectuées montrent qu‟il n‟est pas adapté (avec nos équipements)

pour la localisation des couches a-Si:H.

Figure III.13. Cartographie en durée de vie effective obtenue avec le procédé masque

métallique (a) et sérigraphie (b) sur la structure test (c)

Les structures tests sont constituées d‟un substrat c-Si couvert d‟une couche a-Si:H (n)

en face avant. En face arrière un dépôt de a-Si:H (p) est localisé par un des procédés puis

recouvert par un autre dépôt a-Si:H (n) pleine plaque. Avec le procédé sérigraphie, une durée

de vie effective très faible est obtenue, en particulier dans les zones recouvertes par le

deuxième dépôt a-Si:H pleine plaque en face arrière. En revanche, l‟utilisation de masques

métalliques permet de garder des valeurs de τeff convenables, compatibles avec la fabrication

de cellules Si-HJ IBC. Ces résultats sont utiles pour comparer les deux procédés entre eux.

Cependant, une étude plus approfondie de l‟impact des étapes de localisation à l‟aide des

masques métalliques sur la qualité des couches a-Si:H est nécessaire. Cette étude est présentée

dans le chapitre suivant.

L‟autre principal avantage du procédé de localisation par masques métalliques réside

dans sa mise en œuvre simple et rapide. Pour la fabrication d‟une cellule Si-HJ IBC, trois

dépôts localisés sont nécessaires en face arrière. Avec ce procédé, il est possible de réaliser

ces trois dépôts localisés de silicium amorphe dans une même journée. Ceci améliore

fortement la fiabilité et la reproductibilité de nos expériences. Un délai bien supérieur est

nécessaire avec le procédé sérigraphie. Les avantages et les inconvénients de ces deux

procédés sont résumés dans le Tableau 21.



- 123 -

Tableau 21. Avantages et inconvénients des procédés de localisation des couches a-

Si:H par sérigraphie ou masques métalliques

Procédé Avantages Inconvénients

Sérigraphie Industrialisation prouvée

Nombreuses étapes de procédé

Forte dégradation de la qualité

des couches

Masques métalliques

Peu d‟étapes de procédé

Faible dégradation de la qualité

des couches

Industrialisable ?

En conclusion, bien que le procédé utilisant les masques métalliques soit plus

difficilement industrialisable, il présente plusieurs avantages importants. D‟abord, peu

d‟étapes de procédé sont nécessaires à la localisation des couches a-Si:H. Ensuite, il permet

une meilleure passivation de surface que le procédé de sérigraphie. Ce procédé de localisation

est donc choisi pour la fabrication des démonstrateurs de cellules Si-HJ IBC.

CHAPITRE III 3. Procédés de localisation des métallisations

- 124 -

3. Procédés de localisation des métallisations

Les métallisations des cellules Si-HJ IBC doivent être optimisées de manière à limiter

au maximum les pertes résistives. Le premier impératif est d‟éviter absolument les courts-

circuits entre les électrodes contactant l‟émetteur et le BSF. La deuxième exigence est

d‟obtenir une conductivité des métallisations suffisantes pour réduire au maximum la

résistance série. Le procédé de localisation doit donc ici permettre une parfaite isolation entre

les électrodes ainsi qu‟une épaisseur de métal suffisamment grande. Un schéma des

métallisations interdigitées est montré sur la Figure III.14. Ce schéma illustre le fait que

contrairement aux cellules standard, les zones d‟émetteur et de BSF sont ici adjacentes. Le

risque de court-circuiter la cellule lors des étapes de métallisation est donc beaucoup plus

grand.

Figure III.14. Schéma des métallisations d’une cellule Si-HJ IBC

Il existe des modèles analytiques permettant de calculer la résistance série occasionnée

par les métallisations [Nichiporuk05]. Selon ces modèles, la Rsérie dépend de plusieurs

paramètres qui sont liés à la géométrie des électrodes:

- Largeur des doigts et du busbar

- Distance entre les doigts

- Nombre de doigts

- Largeur de la cellule

Dans le cas des métallisations, il est nécessaire ici de prendre en compte une sixième

valeur de tolérance (T.6) concernant le contact sur le BSF. En effet, celui-ci est constitué

d‟une première couche d‟ITO, recouverte d‟une seconde couche d‟Al. Pour appliquer cet

empilement sur les structures Si-HJ IBC, une première couche d‟ITO est déposée localement

à une distance T.5 de la couche de gap (voir Figure III.5). La couche d‟Al est ensuite déposée

à une distance T.6 de la couche d‟ITO. La contribution de la couche d‟ITO à la conduction

des charges dans les électrodes est cependant négligeable par rapport à celle de l‟Al.


- 125 -

Ainsi, pour les simulations analytiques montrées sur la Figure III.15, seule la

contribution de la couche d‟Al est calculée. Cette figure montre l‟influence de l‟épaisseur des

métallisations sur les différentes contributions des métallisations à la résistance série de notre

structure Si-HJ IBC. La résistivité du métal est prise égale à celle de l‟aluminium déposé par

PVD (3x10-6

Ohm.cm). Selon ce modèle, ce sont les métallisations du BSF, formées de doigts

larges de 450 µm distants de 2 mm, qui contribuent le plus aux pertes résistives du dispositif.

Figure III.15. Modélisation analytique de l’influence de l’épaisseur de métal (résistivité =

3x10-6

Ohm.cm) sur la résistance série dans les métallisations d’une cellule Si-HJ IBC. Les

paramètres géométriques utilisés correspondent à une géométrie expérimentale obtenue avec

une tolérance de 100 µm entre tous les alignements

Une épaisseur de métal supérieure à 3 µm est donc nécessaire pour obtenir une

contribution des métallisations dans la Rsérie inférieure à 1 Ohm.cm2. Idéalement, des couches

plus épaisses (6 µm) permettent de limiter cette contribution en deça de 0.5 Ohm.cm2.

L‟objectif de cette étude est donc de permettre la réalisation de deux électrodes

localisées sur la zone d‟émetteur et de BSF. Les procédés de localisation étudiés sont d‟abord

évalués sur leur capacité à isoler efficacement ces deux électrodes. Des couches de métal

épaisses d‟au moins 3 µm doivent de plus pouvoir être structurées à l‟aide de ces procédés.


- 126 -


Le procédé développé précédemment pour la localisation des couches a-Si:H par

sérigraphie n‟est pas adapté pour des couches épaisses d‟Al (1 µm et plus). Un autre procédé

utilisant la sérigraphie de pâte polymère est présenté dans cette partie. Il s‟agit ici de

métalliser l‟émetteur et le BSF en une seule étape de pulvérisation. Pour cela, la pâte

polymère est sérigraphiée avant le dépôt Al selon un motif recouvrant la zone entre l‟émetteur

et le BSF interdigités (zone de gap). Le dépôt de métal, recouvrant ce motif, est ensuite

réalisé. Une étape de polissage permet alors de graver l‟Al uniquement sur les zones

surélevées d‟environ 15 µm par la présence de pâte polymère. Les électrodes se retrouvent

ainsi isolées de part et d‟autre du motif sérigraphié. Les différentes étapes de ce procédé sont

donc les suivantes :

1. Sérigraphie de la pâte polymère (Figure III.16-a)

2. Dépôt Al (Figure III.16-b)

3. Polissage (Figure III.16-c)

Figure III.16. Photographies des différentes étapes du procédé de localisation des

métallisations par sérigraphie

L‟optimisation des paramètres de polissage a permis d‟obtenir une isolation parfaite

entre deux zones couvertes d‟Al épais (1 à 5 µm). Comme pour le procédé développé pour

localiser les couches a-Si:H, la tolérance est ici égale à 100 µm. De plus, une unique étape de

dépôt Al est nécessaire pour métalliser simultanément les deux électrodes. Malgré ces

avantages, il est difficile d‟envisager l‟utilisation de ce procédé pour métalliser les cellules Si-

HJ IBC, et ce pour deux raisons. D‟une part, l‟étape de polissage est longue et ne peut se faire

que plaque par plaque. D‟autre part, ce procédé implique un unique matériau de contact (ou

empilement) sur l‟émetteur et le BSF. Or, les matériaux de contacts sélectionnés au chapitre I

sont effectivement différents sur les deux zones à contacter. Il faut donc ajouter à ce procédé

une étape de localisation de l‟ITO sur le BSF.


- 127 -


Le procédé développé ici est semblable à celui décrit pour la localisation des couches

a-Si:H (voir Chapitre III §1.3 et §2.3). Des masques spécifiques sont nécessaires pour la

métallisation de l‟émetteur (ouverture large de 1 mm) et du BSF (ouverture fine de 250 µm),

nécessitant deux dépôts différents. Des mesures de profilométrie, visibles sur la Figure III.17,

permettent d‟observer l‟allure des dépôts d‟Al pulvérisé effectués à travers les masques. Le

premier dépôt est effectué à travers le masque à ouvertures larges, suivi par un second dépôt à

travers les ouvertures plus fines.

Figure III.17. Mesures de profilométrie effectuées sur des dépôts Al localisés par masques

métalliques. Le dépôt large correspond à la métallisation de l’émetteur (1er

dépôt) tandis que

la zone plus étroite contacte le BSF (2e dépôt)

Selon ces mêmes mesures de profilométrie, la largeur de l‟ouverture a un effet sur

l‟épaisseur du dépôt effectué. Le dépôt Al effectué pour ces métallisations est de 1.2 µm sur

une surface polie. On s‟aperçoit sur la Figure III.17 que cette valeur est quasiment obtenue

pour l‟ouverture large (métallisation émetteur) avec 1.1 µm de hauteur maximale. En

revanche, pour la métallisation étroite (BSF) l‟effet d‟ombrage est important et le dépôt


- 128 -

n‟atteint qu‟une hauteur de 800 nm environ. Ces effets sont à prendre en compte car ils

augmentent la résistance série occasionnée par les métallisations.

Pour la métallisation large, effectuée en premier, les couches d‟Al sont effectivement

localisées avec une largeur correspondant à celle de l‟ouverture du masque. En revanche, pour

la métallisation fine, la zone d‟Al déposée est plus large que l‟ouverture du masque. Selon les

mesures visibles sur la Figure III.17, la largeur de métal effectivement déposé peut atteindre

300 µm contre 250 µm souhaités. La zone fine étant métallisée après la zone large, le masque

utilisé lors de ce second dépôt n‟est plus parfaitement plaqué contre le substrat. Il est posé sur

la première métallisation, donc à plus de 1 µm de la surface à métalliser. La méthode de

pulvérisation étant peu directionnelle, ce second dépôt d‟Al est alors moins bien localisé.

Selon ces résultats, il est donc nécessaire d‟ajouter à l‟incertitude de +/- 45 µm sur les

alignements mécaniques une autre incertitude de +/- 30 µm sur la conformité du dépôt par

pulvérisation. La tolérance globale des dépôts par pulvérisation à travers les masques

métalliques est donc fixée à 150 µm.

D‟après les modélisations montrées sur la Figure III.15, une épaisseur de 3 µm d‟Al

est nécessaire pour maintenir la résistance série des métallisations en deçà de 1 Ohm.cm2.

Cette valeur est obtenue pour une géométrie calculée avec une tolérance de 100 µm entre les

différents dépôts. L‟utilisation d‟une tolérance de 150 µm est cependant nécessaire entre les

dépôts effectués par pulvérisation (T.4, T.5 et T.6). Avec cette nouvelle valeur et en gardant la

même géométrie pour les autres zones, la largeur des électrodes Al est réduite (900 µm sur

l‟émetteur et 250 µm sur le BSF). Selon la Figure III.18, une épaisseur d‟Al supérieure à 4

µm est alors nécessaire pour obtenir une Rsérie inférieure à 1 Ohm.cm2.

Figure III.18. Influence de l’épaisseur de métal ( = 3x10-6

Ohm.cm) sur la Rsérie d’une

cellule Si-HJ IBC pour deux valeurs de tolérance entre les dépôts pulvérisés (T.4, T.5 et T.6)

CHAPITRE III Conclusions

- 129 -

Conclusions du Chapitre III

Ce chapitre a permis de sélectionner le procédé de localisation des différents dépôts

nécessaires à la fabrication des cellules Si-HJ IBC. Les deux procédés utilisant une couche

sacrificielle ne satisfont pas aux objectifs fixés. Les nombreuses étapes de dépôt, gravure et

nettoyage pour chaque localisation augmentent le temps nécessaire pour fabriquer une cellule

complète. Elles entraînent également un risque élevé de contaminer la surface du c-Si et donc

d‟augmenter la densité d‟états à l‟interface a-Si:H / c-Si. Ces procédés utilisant le LASER et

la sérigraphie ne doivent toutefois pas être exclus. Il est nécessaire à la fois d‟améliorer et de

simplifier ces procédés. Avec moins d‟étapes de fabrication, le temps de manipulation, mais

aussi les éventuelles contaminations, pourront être réduits.

Le procédé utilisant des masques métalliques est en revanche adapté à la fois pour la

localisation des couches a-Si:H ainsi que pour celle des métallisations. Son principal avantage

vient de la rapidité d‟exécution et du peu d‟étapes de fabrication nécessaires pour chaque

localisation. Il permet également de ne pas trop dégrader les propriétés de passivation des

couches a-Si:H déposées. La tolérance de ce procédé en terme d‟alignement est de 100 µm

pour les dépôts a-Si:H par PECVD et de 150 µm pour les dépôts par pulvérisation. Des

valeurs de tolérance inférieures permettent théoriquement d‟obtenir de meilleurs rendements

au niveau des cellules Si-HJ IBC. Les valeurs obtenues sont toutefois suffisantes pour limiter

les pertes au niveau du FF et du Jcc des cellules Si-HJ IBC, et obtenir de hauts rendements. Le

procédé « masque métallique » est donc choisi pour la fabrication de dispositifs Si-HJ IBC

dans la suite de l‟étude.

- 130 -

- 131 -

CHAPITRE IV : FABRICATION ET OPTIMISATION DE

DISPOSITIFS À HÉTÉROJONCTIONS SILICIUM ET

CONTACTS EN FACE ARRIÈRE

Les travaux effectués dans les chapitres précédents sont appliqués dans ce quatrième

chapitre, consacré à l‟étude de dispositifs Si-HJ IBC fonctionnels. Le premier objectif est de

fabriquer des cellules Si-HJ IBC complètes, en utilisant les différents empilements ainsi que

le procédé de localisation développés précédemment. Ces cellules de 25 cm2 sont réalisées sur

un substrat de type n. Les dispositifs fabriqués sont ensuite caractérisés afin d‟évaluer leurs

paramètres électriques. Les pertes en courant, ainsi que les pertes résistives, sont également

évaluées pour déterminer d‟éventuels défauts de fonctionnement.

Une deuxième partie est consacrée à la compréhension, puis à l‟optimisation des

cellules Si-HJ IBC. Des modélisations 2D sont utilisées pour déterminer l‟influence de la

géométrie des empilements en face arrière. À l‟aide des résultats de simulation, des critères

d‟optimisation de cette géométrie sont déterminés. Enfin, des dispositifs optimisés sont testés,

dans le but d‟atteindre les hauts rendements.

CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC

- 132 -

1. Fabrication de dispositifs à hétérojonctions silicium et

contacts en face arrière

Cette partie est consacrée à la fabrication de dispositifs Si-HJ IBC complets intégrant

les différents développements des précédents chapitres. La Figure IV.1 montre la structure

unitaire qui est répétée 38 fois dans le dispositif global de 25 cm2. Cette géométrie unitaire est

représentative de la géométrie globale (2D) des dispositifs fabriqués. Cependant, sur les bords

des cellules ainsi qu‟au niveau des bus de collectes (Busbars), la géométrie varie fortement

par rapport à la structure de la Figure IV.1. Ces aspects (3D) doivent être considérés pour une

modélisation fine des dispositifs fabriqués. Notre étude se limite cependant aux aspects 2D

qui permettent la mise en évidence des paramètres les plus influents.

Figure IV.1. Structure unitaire (largeur de 1.325 mm) schématique des dispositifs Si-HJ

IBC fabriqués. La géométrie complète du dispositif est détaillée dans le Tableau 22

Les paramètres électriques des dispositifs fabriqués sont déterminés à l‟aide de

mesures J-V sous éclairement. Les pertes résistives ainsi que les pertes en courant sont

également caractérisées afin de comprendre les limitations de ces premières cellules Si-HJ

IBC.

1.1 Géométrie des dispositifs

La géométrie initiale de la face arrière est choisie en respectant une valeur de tolérance

de 100 µm entre les alignements des dépôts PECVD et 150 µm pour ceux effectués par

pulvérisation (voir chapitre précédent). La largeur de la zone de contact sur le BSF est

initialement fixée à 550 µm (couche ITO) afin d‟obtenir une électrode Al de 250 µm. Une

telle largeur permet de limiter les pertes par résistance série dues aux métallisations. En

ajoutant les différentes tolérances, une largeur de 1050 µm est obtenue pour la zone de BSF.

Il est ensuite nécessaire de déterminer la largeur de la zone d’émetteur.

Théoriquement, plus la largeur d‟émetteur est grande, et plus le courant collecté est


- 133 -

important. Cependant, la distance latérale moyenne parcourue par les porteurs de charge

augmente également avec la largeur de l‟émetteur. La valeur du FF peut alors diminuer plus

ou moins rapidement en fonction de la conductivité et l‟épaisseur du substrat [Granek08a].

La Figure IV.2 montre l‟influence de la largeur de la zone d‟émetteur sur les paramètres

électriques de cellules Si-HJ IBC modélisées. Pour l‟épaisseur du substrat, une valeur de 300

µm est utilisée comme référence. Les résultats obtenus avec une valeur de 100 µm (substrat

mince) sont également représentés. Pour modéliser le dopage du substrat c-Si, une

concentration de 2x1015

cm-3

est utilisée, proche de nos valeurs expérimentales.

Figure IV.2. Influence de la largeur de la zone d’émetteur sur les paramètres électriques de

cellules Si-HJ IBC simulées, sous éclairement AM1.5. Les symboles pleins et vides

correspondent respectivement à un substrat épais de 300 µm et 100 µm

Ces résultats de modélisation confirment qu‟une grande largeur d‟émetteur améliore la

valeur de Jcc et réduit celle du FF. Pour un substrat de 300 µm, le meilleur compromis entre

ces deux tendances est obtenu pour une largeur d‟émetteur proche de 1400 µm. C‟est donc

cette valeur qui est ensuite utilisée expérimentalement. L‟utilisation d‟un substrat de 100 µm

entraîne une diminution du Jcc par rapport au substrat plus épais. Cette perte est due

principalement aux photons non absorbés dans le substrat fin. Afin de réduire ces pertes, il est

nécessaire d‟améliorer le confinement optique de la face arrière des cellules [McIntosh04].

Une différence notable de comportement est également visible au niveau des valeurs de FF

obtenues. La conductivité latérale du substrat est dépendante de son épaisseur. Avec un


- 134 -

substrat fin, l‟augmentation de la largeur de l‟émetteur provoque une chute du FF plus

importante que pour un substrat épais. La valeur optimale de largeur d‟émetteur est donc

inférieure avec un substrat de 100 µm par rapport à celui de 300 µm.

Le Tableau 22 donne les valeurs expérimentales de largeur et d‟épaisseur des

différentes zones des structures Si-HJ IBC initialement fabriquées. Pour définir la géométrie

globale des dispositifs, il faut préciser que les zones d‟émetteur et BSF sont complétées par un

bus de collecte large de 3 mm et long de 5 cm au bout des doigts. Avec cette géométrie, la

surface recouverte par la zone d‟émetteur représente un peu plus de la moitié de celle du

dispositif global (52 %). L‟épaisseur des électrodes Al est de 3 µm, malgré le fait qu‟une

épaisseur plus importante soit requise pour diminuer la résistance série des dispositifs (voir le

chapitre précédent). En effet, dans le bâti de dépôt utilisé, il s‟agit de l‟épaisseur maximale

qu‟il est possible de déposer en mode automatique. Un deuxième dépôt est toutefois

envisageable pour obtenir des métallisations plus épaisses, mais avec une augmentation du

risque de court-circuit.

Tableau 22. Données expérimentales de base des structures Si-HJ IBC fabriquées

Zone Matériau Epaisseur visée Largeur visée

Substrat c-Si (n) FZ 1-5 Ohm.cm 300 µm 5 cm (largeur cellule)

FSF + CAR a-Si:H (n) + a-SiNx:H 8 nm + 80 nm 5 cm (largeur cellule)

Emetteur a-Si:H (p) 25 nm 1400 µm

Gap a-Si:H (i) 35 nm 300 µm

BSF a-Si:H (n) 25 nm 1050 µm

Contact BSF 1 ITO 80 nm 550 µm

Contact BSF 2 Al 3 µm 250 µm

Contact émetteur Al 3 µm 900 µm

Le dépôt d‟une couche de passivation est nécessaire entre les zones d‟émetteur et de

BSF (zone de gap). Une forte vitesse de recombinaison de surface dans ce gap dégrade les

caractéristiques des cellules IBC Si-HJ [Lu07b]. Une couche montrant d‟excellentes

propriétés de passivation doit donc être utilisée dans ce cas. La couche a-Si:H (i) épaisse de

35 nm développée dans le 2e chapitre permet potentiellement d‟atteindre une valeur de Seff de

11 cm.s-1

. Elle répond à cette exigence et peut donc être utilisée dans la suite de l‟étude.


- 135 -

1.2 Procédé de fabrication

Le procédé utilisé pour fabriquer les dispositifs est décrit dans le Tableau 23.

Tableau 23. Étapes du procédé de fabrication des cellules Si-HJ IBC

Etape Procédé Face Masque

1/ Perçage des mires d‟alignement dans le

substrat gravure LASER arrière -

2/ Gravure de l‟oxyde natif bain de HF tamponné

(7%) pendant 30s - -

3/ Dépôt du FSF a-Si:H (n) PECVD avant -

4/ Dépôt de l‟émetteur a-Si:H (p) PECVD arrière E

5/ Dépôt du BSF a-Si:H (n) PECVD arrière B

6/ Dépôt de la couche de Gap a-Si:H (i) PECVD arrière IN

7/ Dépôt de la couche de confinement

optique a-SiNx:H PECVD avant -

8/ Dépôt de la couche d‟ITO sur le BSF pulvérisation arrière MB1

9/ Recuit des substrats étuve à 200°C

20 min sous air - -

10/ Dépôt de la couche d‟Al sur

l‟émetteur Al arrière ME

11/ Dépôt de la couche d‟Al sur le BSF Al arrière MB2

12/ Clivage des cellules (25 cm2)

gravure LASER puis

clivage manuel arrière -

Après chaque dépôt localisé, il est nécessaire de nettoyer les masques utilisés. Ce

nettoyage est effectué par une gravure sèche (plasma) suivie d‟un nettoyage dans un bain de

HF tamponné (7%) et d‟un rinçage à l‟eau. La durée de vie effective des dispositifs est

caractérisée en cours de procédé, après l‟étape 9. Avant les étapes de dépôts métalliques, lors

de ces caractérisations en durée de vie, le terme « précurseur de cellule » est utilisé.


- 136 -

1.3 Caractérisation des précurseurs de cellule

1.3.1 Mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d’injection

Les mesures de eff des différentes couches a-Si:H utilisées dans la fabrication des

cellules Si-HJ IBC sont rassemblées dans la Figure IV.3. Ces mesures sont effectuées sur des

substrats c-Si recouverts des deux côtés par la couche à caractériser. Elles permettent de

déterminer la valeur de eff en fonction du niveau d‟injection, correspondant à un éclairement

équivalent compris en moyenne entre 0.1 et 50 soleils. Des valeurs de J0e (pour un émetteur),

de Seff (pour une couche de passivation) ou de Vco implicite à un soleil (pour un précurseur)

peuvent en être déduites.

Figure IV.3. Mesures de eff en fonction du niveau d’injection de toutes les couches a-Si:H

utilisées pour la fabrication des cellules Si-HJ IBC

Les couches utilisées montrent différents comportements en fonction du niveau

d‟injection. La couche intrinsèque atteint, à fort niveau d‟injection (≥ 1x1015

cm-3

), des

valeurs de eff supérieures à celles des couches dopées. Ceci lui permet d‟atteindre une valeur

de Seff égale à 11 cm.s-1

sous un soleil. En revanche, à plus faible injection, la plupart des

couches dopées montrent de meilleures propriétés de passivation de surface grâce à un effet

de champ plus important. Les deux couches dopées (n) ont un comportement semblable

malgré leur différence en terme d‟épaisseur (8 et 25 nm) et de flux de gaz dopant (5 et 10

sccm). Le gain en passivation de surface apporté par un flux de gaz dopant plus faible est en

effet ici contrebalancé par l‟utilisation d‟une épaisseur plus faible. Pour ces deux couches, une

Seff de 25 cm.s-1

est obtenue sous un soleil. Les couches dopées (p) obtiennent les moins

bonnes valeurs de eff. Cependant, celle réalisée avec un flux de gaz dopant de 10 sccm

(couche [L]) montre de meilleures propriétés de passivation de surface que la couche [H], et

donc un J0e plus faible (140 contre 410 fA.cm-2

). Ces résultats sont conformes aux tendances

observées dans les chapitres précédents.


- 137 -

Les mesures de eff de différents précurseurs de cellules Si-HJ IBC sont rassemblées

dans la Figure IV.4. Les dispositifs Si-HJ IBC nécessitent 4 dépôts de a-Si:H successifs

durant leur fabrication. Dans le cas des cellules Si-HJ standard, seulement deux dépôts de a-

Si:H successifs sont effectués. C‟est également le cas des structures utilisées pour mesurer la

durée de vie effective des couches simples. Pour deux dépôts successifs, un seul nettoyage de

30 s dans un bain de HF tamponné (7%) est effectué avant le premier dépôt. Comme le

montre la Figure IV.4, l‟utilisation d‟un unique nettoyage entraîne une valeur de Vco implicite

de l‟ordre de 630 mV sur les précurseurs de cellule Si-HJ IBC avec émetteur [L]. Cette valeur

atteint 650 mV en ajoutant un nettoyage supplémentaire en cours de procédé (après le

deuxième dépôt a-Si:H). Les précurseurs de cellules utilisant la couche d‟émetteur [H]

atteignent un Vco implicite de 630 mV, même avec deux nettoyages. Ces valeurs, dues à un J0e

plus élevé, sont suffisantes pour envisager la fabrication de cellules complètes.

Figure IV.4. Mesures de eff en fonction du niveau d’injection de précurseurs de cellules Si-

HJ IBC en fonction de l’émetteur utilisé et du nombre de nettoyages effectués

Les valeurs de eff atteintes par les précurseurs sont inférieures à 300 µs. Ces valeurs

sont moins élevées que celles obtenues par les simples couches a-Si:H (Figure IV.3).

Conformément aux études menées dans le chapitre précédent, l‟usage des masques

métalliques provoque une dégradation des propriétés de passivation de surface des dépôts a-

Si:H. Lors des manipulations des substrats pour le positionnement des masques, la surface du

c-Si est probablement dégradée (oxyde natif, poussières). Cette dégradation peut

probablement être réduite en améliorant le procédé de nettoyage des substrats et des masques.

Nos résultats montrent que l‟ajout d‟une étape de bain HF supplémentaire entre le dépôt de la

couche (p) et celui de la couche (i) améliore effectivement les valeurs de eff des précurseurs

(Figure IV.4). Pour ne pas alourdir le procédé de fabrication, l‟ajout d‟une 3e étape de

nettoyage HF n‟est pas envisagé ici.


- 138 -

1.3.2 Cartographies en durée de vie effective

Les mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d‟injection, montrée dans

la partie précédente, expriment une valeur moyenne mesurée au centre des substrats. Elles ne

permettent donc pas d‟accéder à des valeurs locales de eff. Des cartographies en durée de vie

effective sont toutefois nécessaires pour l‟étude des dispositifs Si-HJ IBC où les couches sont

localisées. Ces cartographies peuvent être obtenues par des mesures µW-PCD. La Figure IV.5

montre différentes cartographies effectuées sur des précurseurs de cellules réalisés dans

différentes conditions.

Figure IV.5. Cartographies de durée de vie effective obtenues sur des précurseurs de cellule

Si-HJ IBC fabriquées (a) avec émetteur [L] et un seul nettoyage HF ; (b) avec émetteur [L] et

deux nettoyages HF; (c) avec émetteur [H] et deux nettoyages HF

Les deux premières cartographies (Figure IV.5-a et Figure IV.5-b) utilisent un pas de

mesure de 250 µm tandis que pour la dernière un pas de 125 µm est utilisé. Cette dernière

condition permet une plus grande netteté de la cartographie. Cependant, la résolution de cette

méthode de mesure est limitée par la taille du spot LASER (1 mm2) utilisé pour l‟excitation.

Même avec un pas très fin, la mesure locale est dépendante des recombinaisons dans toute la

zone excitée. Malgré cela, des informations importantes peuvent être tirées de ces mesures.

Au niveau des busbars, (en haut et en bas des cartographies) une valeur de eff plus

élevée qu‟au niveau des doigts est obtenue. Les zones de busbars ont une largeur de 3 mm.

Les doigts formant l‟émetteur et le BSF sont moins larges que les busbars, avec des zones

respectivement de 1.4 mm et 1.05 mm. Ceci montre que le procédé de localisation par

masques métalliques dégrade plus la passivation de surface des couches a-Si:H lorsqu‟elles

sont déposées à travers des ouvertures fines. Deux explications peuvent être avancées pour

expliquer ce phénomène. Des phénomènes parasites peuvent d‟abord apparaître sur le bord

des masques et dégrader la qualité des couches déposées. Ces phénomènes seraient

proportionnellement plus importants dans les zones étroites que dans les zones larges.

Ensuite, lors du positionnement des masques, il est difficile d‟éviter les frottements entre le

métal et le substrat. Ceci peut provoquer une plus grande densité de défauts à l‟interface dans


- 139 -

les zones détériorées. Dans les zones de doigts, trois étapes d‟alignement (émetteur, gap, BSF)

sont nécessaires, contre une seule au niveau des busbars. Ces différents alignements

augmentent la probabilité de détériorer la surface et donc de faire chuter la durée de vie

effective mesurée.

Les tendances observées précédemment sur la Figure IV.4 se retrouvent sur la Figure

IV.5. Le plus haut niveau de durée de vie effective est mesuré sur des structures Si-HJ IBC

fabriquées avec émetteur [L] et deux nettoyages HF. Les cartographies montrent quelques

inhomogénéités locales mais aucun défaut grave. Les précurseurs de cellule peuvent donc être

métallisés afin de fabriquer les dispositifs complets. Pour cela les étapes de dépôt des

électrodes (Al) sont nécessaires.

1.4 Métallisation des précurseurs de cellule

La métallisation des précurseurs représente une étape cruciale dans la réalisation des

dispositifs Si-HJ IBC. En effet, lors de cette étape le risque de court-circuiter la cellule est très

important. Après les dépôts Al, de nombreuses cellules montrent un comportement

photovoltaïque très mauvais et ce, malgré l‟augmentation de la valeur de tolérance entre les

dépôts pulvérisés à 150 µm (voir chapitre précédent). Certaines pseudo-caractéristiques J-V,

comme celles montrées sur la Figure IV.6, laissent apparaître un comportement représentatif

de cellules court-circuitées.

Figure IV.6. Pseudo-caractéristiques J-V de cellules Si-HJ IBC après métallisation,

mesurées par la méthode SunsVoc. La valeur de Jcc est fixée arbitrairement à 30 mA.cm-2


- 140 -

Sur les dispositifs métallisés, la présence de courts-circuits implique une chute notable

de la valeur du pseudo FF (PFF) mais également celle de la Vco. Ces courts-circuits

provoquent un échauffement local des dispositifs soumis au passage d‟un courant. Des

mesures de thermographie infrarouge (TIR) effectuées à l‟aide d‟une caméra adaptée peuvent

révéler ces différences de température. La Figure IV.7 montre des images TIR pour deux des

dispositifs présentés sur la Figure IV.6.

Figure IV.7. Images TIR des dispositifs Si-HJ IBC #1 (a) et #3 (b) après métallisation. Les

échelles correspondent à une tension, dépendant de l’échauffement local des dispositifs

Ces mesures révèlent bien la présence de nombreux courts-circuits, particulièrement

sur la cellule #1. Sur la cellule #3, un léger échauffement est constaté sur un des doigts du

BSF, mais ceci n‟empêche pas le dispositif de fonctionner correctement. La cellule #1 en

revanche, est totalement dégradée par les courts-circuits entre les zones d‟émetteur et de BSF.

Ces échauffements sont localisés sur une partie seulement de la cellule. Le problème semble

donc provenir d‟inhomogénéités dans les dépôts plutôt que de problèmes d‟alignement. Dans

ce dernier cas, les courts-circuits seraient visibles sur la totalité de la cellule. Les images MEB

(Figure IV.8) confirment effectivement la présence d‟inhomogénéités dans le dépôt d‟Al.

Figure IV.8. Image MEB (détail) d’une cellule Si-HJ IBC présentant des courts-circuits. À

gauche, la métallisation est bien localisée, mais à droite le dépôt n’est pas homogène


- 141 -

Les inhomogénéités constatées sur la Figure IV.8 proviennent très probablement d‟un

mauvais plaquage du masque pendant le dépôt d‟Al. Différentes configurations au niveau de

la disposition des aimants donnent les mêmes résultats aléatoires. Certaines cellules ont des

métallisations inhomogènes qui provoquent des courts-circuits, tandis que d‟autres

fonctionnent correctement. Il est possible que lors de la pulvérisation, des interactions entre

les aimants de maintien du masque et ceux du magnétron apparaissent.

Ces interactions sont difficilement maîtrisables et aucune solution testée ne permet

d‟éviter ces problèmes de courts-circuits. Dans la suite de l‟étude, c‟est ce mode de dépôt qui

est malgré tout utilisé, dans la mesure où une partie des cellules réalisées ne sont pas court-

circuitées. Cependant le remplacement de ces étapes de pulvérisation par un autre mode de

dépôt (évaporation, sérigraphie) permettrait probablement d‟améliorer la reproductibilité du

procédé de métallisation.

1.5 Caractérisation des premiers dispositifs

Cette partie détaille les différentes caractérisations effectuées sur les dispositifs Si-HJ

IBC non court-circuités après l‟étape de dépôt Al. La Figure IV.9 présente des images des

cellules fabriquées, avant et après clivage.

Figure IV.9. Photographies des cellules IBC Si-HJ expérimentales avant (a) et après (b)

clivage sur une surface de 25 cm2

Deux types de cellules sont ici caractérisées, les premières utilisant un émetteur [H],

les secondes un émetteur [L]. La première étape de caractérisation consiste à mesurer la

caractéristique J-V des cellules sous éclairement AM1.5, afin de déterminer leurs paramètres

électriques. Une étude des pertes résistives est ensuite effectuée par des mesures de pseudo

courbes J-V obtenues par SunsVoc. Enfin, des mesures de rendement quantique externe (RQE)

et LBIC sont nécessaires, afin de quantifier les pertes en courant dans les dispositifs.


- 142 -

1.5.1 Paramètres électriques sous éclairement AM1.5

Les mesures J-V sous éclairement sont effectuées sur un socle de mesure spécialement

fabriqué pour les cellules IBC. Ce socle permet la prise de contact par quatre pointes, une

pour la tension et une pour le courant sur chaque busbar. Les cellules sont maintenues sur le

socle grâce à un système de vide. Dans les conditions standard, la mesure J-V sous

éclairement doit s‟effectuer à 25°C. Il est donc nécessaire de tempérer le socle et la cellule

mesurée qui sont soumis au rayonnement. Un système de refroidissement (circulation d‟eau)

permet le maintien du socle à 25°C lors de la mesure. La Figure IV.10 montre les courbes J-V

sous éclairement pour deux types de cellules Si-HJ IBC fabriquées.

Figure IV.10. Mesure J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ IBC utilisant un

émetteur de conductivité élevée (1.8x10-5

S.cm-1

[H]) ou faible (1.4x10-6

S.cm-1

[L])

Conformément aux résultats obtenus sur les cellules à émetteur inversé réalisées au

premier chapitre, l‟émetteur [L] permet d‟atteindre une valeur de Vco supérieure à celle

obtenue par l‟émetteur [H]. Un Vco de 648 mV est obtenu, ce qui constitue à notre

connaissance la valeur la plus élevée au niveau mondial. Il s‟agit en effet du plus haut Vco

atteint sur une cellule Si-HJ IBC n‟utilisant pas de couche a-Si:H (i) tampon en face arrière.

Cependant, l‟utilisation d‟un contact Al provoque ici, comme sur les cellules à émetteur

inversé, une courbe J-V en «S». L‟utilisation d‟un émetteur [H] supprime les problèmes de

contact, mais diminue légèrement la valeur de Vco obtenue.

Les valeurs de Jcc obtenues sur les deux types de cellules sont plus élevées que sur les

cellules à émetteur inversé. Un gain d‟environ 2 mA.cm-2

est en effet constaté, pouvant être

attribué à la différence de structure utilisée en face avant. Une couche a-Si:H de 8 nm

couverte de a-SiNx:H est ici utilisée contre une couche de 25 nm contactée par de l‟ITO puis

une grille métallique. Cette différence devrait toutefois permettre l‟obtention d‟une valeur de


- 143 -

Jcc supérieure à 30 mA.cm-2

sur les cellules Si-HJ IBC. De plus, l‟émetteur le plus conducteur

permet ici d‟obtenir un Jcc supérieur, contrairement à ce qui était constaté sur les cellules à

émetteur inversé. Ces résultats sont donc surprenants au premier abord. L‟allure des courbes

J-V des deux types de cellules Si-HJ IBC montre également un comportement inhabituel. Une

chute de la valeur du courant mesuré apparaît en effet dès les faibles tensions. Les valeurs de

FF obtenues sont donc faibles, de l‟ordre de 50 %.

Le modèle à deux diodes est couramment utilisé pour décrire le comportement des

cellules photovoltaïques. Selon ce modèle, l‟allure des courbes J-V sous éclairement obtenues

(Figure IV.10) peut s‟expliquer par différentes pertes résistives. Ces pertes peuvent être

théoriquement causées par une valeur importante de résistance série et une faible résistance

parallèle dans les dispositifs. Une faible valeur de résistance parallèle provoque en effet une

chute du courant dès les faibles tensions (proche Jcc), tandis qu‟une forte résistance série

diminue le courant aux fortes tensions (proche Vco) [Honsberg09]. Afin de déterminer les

contributions respectives de ces deux résistances parasites, des caractérisations plus poussées

de nos dispositifs sont nécessaires.

1.5.2 Caractérisation des pertes résistives

La mesure SunsVoc permet d‟obtenir une pseudo-courbe J-V qui ne tient pas compte

des phénomènes de résistance série dans le dispositif. Les pseudo-FF (PFF) calculés

dépendent donc uniquement d‟éventuels courts-circuits dans la cellule. La Figure IV.11

montre les pseudo-courbes J-V des dispositifs fabriqués précédemment.

Figure IV.11. Pseudo-courbes J-V sous éclairement, mesurées par SunsVoc, de cellules Si-HJ

IBC utilisant un émetteur [H] ou [L]


- 144 -

Ces résultats indiquent que les cellules fabriquées n‟ont pas de problèmes de courts-

circuits. Les valeurs de PFF obtenues sont en effet supérieures à 80 % pour les deux types de

dispositifs. Leurs performances semblent donc uniquement limitées par une importante

résistance série. Ceci est étonnant dans la mesure où, selon le modèle à deux diodes, la

résistance série influence la courbe J-V seulement pour des tensions proche du Vco. Et dans

notre cas les courbes J-V sont dégradées dès les faibles tensions.

L‟allure des courbes J-V sous éclairement obtenues ne s‟explique donc que

partiellement par la résistance série des cellules. L‟étude de leurs caractéristiques J-V à

l‟obscurité n‟ayant apporté aucune information complémentaire, d‟autres caractérisations

comme celle des pertes en courant doivent être envisagées.

1.5.3 Caractérisation des pertes en courant

Des indications sur le fonctionnement de nos dispositifs Si-HJ IBC expérimentaux

peuvent être obtenues par des caractérisations du courant collecté. Une mesure de réponse

spectrale et de réflectivité des dispositifs permet de remonter d‟abord à leur RQE puis à leur

RQI. L‟analyse de ces mesures est potentiellement une source d‟informations sur les origines

des recombinaisons dans les cellules PV.

La mesure de réponse spectrale est effectuée à faible éclairement (et donc faible

injection). Si la Seff en face avant est plus importante à faible injection qu‟à forte injection, la

mesure de RQE n‟est pas valable. L‟ajout d‟une source lumineuse supplémentaire ou « bias

light » lors de la mesure de réponse spectrale est alors nécessaire pour que le dispositif

fonctionne dans des conditions de forte injection, comparables à celles d‟un éclairement

AM1.5. Des études précédentes sur des cellules Si-HJ IBC ont montré l‟augmentation de la

Seff en face avant à faible éclairement [Lu07a]. Ce comportement est à éviter dans la mesure

où en réalité une cellule PV fonctionne souvent à faible éclairement.

Les mesures de RQE d‟une des cellules Si-HJ IBC expérimentale, avec et sans bias

light, ainsi que sa réflectivité, sont représentées sur la Figure IV.12. Ces résultats montrent

que les mesures du RQE avec et sans bias light sont similaires. L‟utilisation de la couche

dopée (n) comme FSF permet bien de garder une Seff en face avant limitée, même à faible

injection. Il s‟agit d‟un résultat important qui valide le choix effectué dans le deuxième

chapitre. Les cellules Si-HJ IBC réalisées dans cette étude semblent réellement adaptées à un

fonctionnement à faible éclairement.


- 145 -

Figure IV.12. Rendement Quantique Externe (avec et sans bias light) et réflectivité mesurés

sur une cellule Si-HJ IBC avec émetteur [H] (Les mêmes tendances sont observées avec

émetteur [L])

Le RQE mesuré plafonne à 72 % alors qu‟il peut théoriquement approcher les 100 %

vers le minimum de réflectivité. Sur les structures IBC, cette faible valeur pourrait s‟expliquer

par une Seff trop élevée (≥ 100 cm.s-1

) en face avant. Cependant une telle Seff limiterait le Vco

en deça des valeurs obtenues expérimentalement (640 mV). Cette explication ne semble donc

pas valable pour nos dispositifs Si-HJ IBC. L‟allure du RQE en fonction de la longueur

d‟onde n‟apporte pas d‟informations supplémentaires sur d‟éventuelles recombinaisons

parasites. Les valeurs mesurées aussi bien aux faibles qu‟aux grandes longueurs d‟ondes ne

préjugent pas de la qualité de la face avant ou de la face arrière.

Ces mesures de RQE sont effectuées sur la globalité de la cellule. Pour avoir une

information locale sur la densité de courant photogénérée, des mesures LBIC sont nécessaires.

La Figure IV.13 montre la mesure LBIC effectuée sur la totalité d‟une cellule Si-HJ IBC

expérimentale avec émetteur [H]. La cartographie en photocourant effectuée montre de fortes

inhomogénéités entre les différentes zones de la cellule. La zone d‟émetteur collecte

correctement les porteurs, aussi bien au niveau des doigts que du busbar. En revanche, la

collecte est beaucoup moins efficace dans la zone de gap et sur les doigts du BSF. Le busbar

du BSF apparaît comme une zone inactive où aucun photocourant n‟est collecté. Dans les

zones où la collecte est faible, les porteurs photogénérés diffusent sur une certaine distance

appelée longueur de diffusion effective (Leff). Si la distance à parcourir par les porteurs pour

atteindre l‟émetteur est plus grande que Leff, ils recombinent sans participer au photocourant.


- 146 -

Figure IV.13. (a) Cartographie LBIC d’une cellule Si-HJ IBC expérimentale, effectuée à une

longueur d’onde de 406 nm ; (b) valeurs de courant extraites d’une coupe transversale de

cette cartographie

La mesure LBIC peut s‟effectuer à différentes longueurs d‟onde (406, 852, 946 et 976

nm). La comparaison des mesures de photocourant effectuées par les plus grandes longueurs

d‟ondes permet le calcul de Leff. Sur nos dispositifs, ce calcul n‟est pas possible sur les zones

d‟émetteur mais uniquement sur les zones de BSF et de gap. Des valeurs d‟environ 200 µm

sont obtenues sur ces zones non actives, bien inférieures à leur largeur (1750 µm). Il est donc

normal qu‟un faible photocourant soit collecté sur ces zones. Cette faible valeur de Leff est

probablement due à d‟importants phénomènes de recombinaisons dans ces zones. Une

première explication viendrait de valeurs de Seff très élevées (≥ 100 cm.s-1

) entre les zones

d‟émetteur. Ces valeurs élevées seraient dues à une forte dégradation des propriétés de

passivation de surface des couches a-Si:H (i) et (n) lors des étapes de localisation. Les

caractérisations effectuées précédemment montrent en effet une chute de la durée de vie

effective dans les zones de BSF et de Gap. Cette dégradation est cependant limitée et ne peut

expliquer, à elle seule, la très faible valeur de Leff constatée.

À la longueur d‟onde de 406 nm, le rayonnement est principalement absorbé à

proximité de la face avant. Aux autres longueurs d‟ondes, l‟absorption est plus homogène

dans l‟épaisseur de la cellule. Si les recombinaisons en face avant sont très importantes, il est

donc possible d‟observer de grandes variations entre les cartographies effectuées à différentes

longueurs d‟ondes. Sur la cellule Si-HJ IBC caractérisée, les mêmes tendances sont observées

quelle que soit la longueur d‟onde choisie. Ceci confirme la qualité correcte de la structure de

passivation utilisée en face avant.

Les différentes caractérisations effectuées dans cette partie ne permettent pas

d‟expliquer l‟allure des courbes J-V, ni les faibles valeurs de Jcc obtenues. Afin d‟améliorer la

compréhension, et poursuivre l‟optimisation des cellules Si-HJ IBC, une étude des dispositifs

à l‟aide de modélisation 2D est nécessaire.

CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC

- 147 -

2. Optimisation des dispositifs à hétérojonctions silicium et

contacts en face arrière

Les dispositifs Si-HJ IBC réalisés expérimentalement souffrent de pertes importantes

au niveau des valeurs de FF et de Jcc. Différentes études de modélisation sont d‟abord

effectuées dans cette partie, afin de déterminer l‟origine des pertes constatées. La différence la

plus évidente entre les cellules Si-HJ standard et les structures Si-HJ IBC vient de la

géométrie des contacts. Sur les Si-HJ standard, les couches a-Si:H sont entièrement

contactées, alors que pour les IBC le contact est localisé sur une partie de l‟émetteur et du

BSF. L‟étude de modélisation est ici focalisée sur la géométrie des contacts et l‟influence du

dopage des couches a-Si:H (p) et (n).

Les résultats de ces études théoriques doivent permettre d‟expliquer nos premiers

résultats expérimentaux. Dans un deuxième temps, il est nécessaire de dégager des critères de

conception pour les dispositifs Si-HJ IBC. Les résultats des modélisations sont ensuite

vérifiés au niveau expérimental, dans le but d‟améliorer les performances des cellules Si-HJ

IBC.

2.1 Modélisation des dispositifs

2.1.1 Influence du dopage et de la largeur du contact sur le champ de surface

arrière

La largeur du contact sur le BSF est expérimentalement de 550 µm, soit environ la

moitié de la zone a-Si:H (n) formant le BSF. Les premières modélisations effectuées montrent

l‟influence de la largeur de ce contact sur les paramètres des cellules structures Si-HJ IBC

modélisées, pour différents dopages de la couche a-Si:H (n) (Figure IV.14).

Les deux paramètres testés ici n‟ont pas une grande influence sur les performances des

cellules Si-HJ IBC simulées. Un dopage faible du BSF a-Si:H (n) limite toutefois les

rendements obtenus, principalement à cause d‟une plus faible valeur de Jcc et de Vco. Cette

tendance s‟explique par le champ électrique plus faible, et donc la moins bonne passivation de

surface, obtenus avec des couches peu dopées.


- 148 -

Figure IV.14. Influence de la largeur du contact du BSF a-Si:H (n) sur les paramètres

électriques de cellules Si-HJ IBC simulées (éclairement AM1.5). Les symboles pleins, grisés

et vides correspondent à un dopage du BSF égal à 1x1020

, 1x1019

et 1x1018

cm-3

La largeur du contact sur le BSF a une légère influence sur les valeurs de FF obtenues.

Une variation d‟environ 1 % absolu est constatée entre un contact de 75 µm et celui de 475

µm, et ce quel que soit le dopage du BSF. Cette faible influence s‟explique probablement par

une participation de la base au transport des électrons (porteurs majoritaires). Ceci n‟est pas le

cas pour l‟émetteur dont le rôle est de collecter les porteurs minoritaires. Une fois ceux-ci

collectés, ils doivent s‟acheminer latéralement jusqu‟au contact. Une modélisation de

l‟influence du dopage et de la largeur du contact sur l‟émetteur est donc nécessaire.

2.1.2 Influence du dopage et de la largeur du contact sur l’émetteur

Dans la géométrie initialement utilisée pour la fabrication des cellules Si-HJ IBC, la

largeur du contact sur l‟émetteur est de 900 µm, soit 450 µm dans la simulation. Afin

d‟exprimer simplement la différence de largeur entre la couche a-Si:H formant l‟émetteur et

son contact, il est intéressant d‟utiliser la notion de fraction de contact. La fraction de contact

(F) est égale au rapport entre la largeur du contact et celle de la zone contactée. Pour les


- 149 -

dispositifs Si-HJ IBC caractérisés précédemment, la fraction d‟émetteur contactée (FEm) est de

0.64. Cela signifie que le contact recouvre seulement 64 % de l‟émetteur.

La valeur du dopage de l‟émetteur initialement utilisée dans notre modèle est de

3x1019

cm-3

. Elle correspond à une efficacité de dopage de 1/10 par rapport aux atomes B

effectivement présents dans le matériau a-Si:H (Chapitre I). L‟efficacité de dopage du a-Si:H

peut cependant être inférieure à cette valeur [Searle98]. La Figure IV.15 montre les courbes J-

V obtenues pour des structures Si-HJ IBC simulées (FEm = 0.64) avec des valeurs de dopage

de l‟émetteur inférieures à 3x1019

cm-3

. Les contacts modélisés étant ohmiques, aucune courbe

en « S » n‟est ici obtenue, même avec un dopage faible de l‟émetteur.

Figure IV.15. Courbes J-V sous AM1.5 de structures Si-HJ IBC simulées (FEm = 0.64) pour

différents dopages de l’émetteur

Ces résultats montrent que pour des valeurs de dopage inférieures à 3x1019

cm-3

, le

comportement de la courbe J-V est dégradé. Entre 3x1019

et 1x1019

cm-3

, la diminution du

dopage entraîne une chute importante du FF. En deçà de 1x1019

cm-3

, le FF ne varie plus,

mais c‟est alors la valeur de Jcc qui chute. La dégradation du FF observée dans ces simulations

est due à une chute du courant aux faibles tensions. Il s‟agit d‟un comportement similaire à

celui causé par une faible valeur de résistance parallèle.

Ces observations peuvent donc expliquer les tendances observées expérimentalement

avec les émetteurs de conductivité différentes (Figure IV.10). Ces résultats expérimentaux

montrent en effet une valeur de Jcc supérieure pour l‟émetteur [H] par rapport au [L], en

contradiction avec les résultats obtenus sur les cellules Si-HJ RE (Chapitre I). Les résultats de

modélisation montrent que pour les cellules Si-HJ IBC, un faible dopage de l‟émetteur peut

effectivement entraîner une diminution du Jcc obtenu. Selon ces résultats, les couches [H] et


- 150 -

[L] peuvent être modélisées par un dopage compris entre 8x1018

et 8.5x1018

cm-3

. Ces valeurs

correspondent respectivement à des efficacités de dopage d‟environ 8x10-2

et 2.8x10-2

,

inférieures à la valeur de 0.1 considérée initialement.

Il est nécessaire de préciser que les valeurs réelles du dopage effectif peuvent être

différentes des valeurs obtenues par la simulation. De plus, la modélisation des défauts

d‟interface (Dit = Dopage) utilisée nécessite une étude plus approfondie. En effet, au niveau

expérimental, un dopage plus important entraîne l‟augmentation des défauts dans la couche et

à l‟interface. Un plus fort dopage doit donc induire une chute du Vco. Or dans les simulations,

l‟effet de champ induit par un plus fort dopage compense l‟augmentation de la Dit. Avec notre

modèle, un Vco croissant est donc obtenu avec l‟augmentation du dopage.

Il semble que le comportement des cellules Si-HJ IBC expérimentales puisse

s‟expliquer par un dopage trop faible de l‟émetteur. Les dispositifs ne souffrent effectivement

pas d‟une résistance parallèle trop faible mais d‟un problème de conception de la face arrière.

Les couches a-Si:H constituant l‟émetteur sont très fines (25 nm) et peu conductrices. Leur

conductivité latérale est donc limitée, ce qui peut poser problème pour l‟acheminement des

charges collectées jusqu‟au contact. Pour un émetteur très dopé – donc très conducteur –, le

contact partiel n‟entraîne pas de pertes résistives. En revanche, la diminution du dopage

entraîne des pertes résistives, et fait également chuter le courant. Des simulations concernant

l‟influence de la fraction d‟émetteur contactée sont donc nécessaires.

La Figure IV.16 montre l‟influence de la FEm sur les courbes J-V de structures Si-HJ

IBC simulées, pour une valeur de dopage de l‟émetteur égale à 8.5x1018

cm-3

. Ces résultats

montrent que l‟augmentation de la valeur de FEm permet d‟atténuer et même d‟éliminer les

problèmes dus à l‟utilisation d‟un émetteur peu dopé. Des tendances similaires aux

précédentes peuvent être déduites de ces simulations. Avec ce dopage de 8.5x1018

cm-3

, une

FEm de 0.64 entraîne un faible FF ainsi qu‟un Jcc inférieur à 30 mA.cm-2

. L‟augmentation de la

FEm jusqu‟à 0.79 améliore la valeur du Jcc, mais pas celle du FF. Au-delà de 0.79, le Jcc est

constant mais le FF s‟améliore.

Ces phénomènes, dus à des pertes résistives dans l‟émetteur, provoquent une double

dégradation des courbes J-V. Le FF est d‟abord impacté par une chute du courant aux faibles

tensions, semblable à ce qui apparaît pour une valeur de résistance parallèle limitée. Une perte

en courant apparaît ensuite, probablement due à des phénomènes de recombinaison.


- 151 -

Figure IV.16. Courbes J-V sous AM1.5 de structures Si-HJ IBC simulées pour un dopage de

l’émetteur égal à 8.5x1018

cm-3

en fonction de la fraction d’émetteur contacté

Au premier abord, il n‟est pas possible d‟expliquer ces différents résultats à l‟aide du

modèle à deux diodes. Selon ce modèle, les problèmes de conductivité latérale provoquent

uniquement des pertes par résistance série. Cette résistance série impacte les courbes J-V

plutôt aux tensions proche du Vco, et ne dégradent pas la valeur de Jcc.

Ces phénomènes peuvent en fait s‟expliquer par une différence de potentiel trop élevée

dans les zones d‟émetteur non contactées [Aberle93]. Une chute de potentiel (ΔV) plus ou

moins importante apparaît dans l‟émetteur, sous illumination, en fonction de sa conductivité

latérale. Quand ce ΔV atteint des valeurs supérieures à quelques (kT/q), les phénomènes de

résistance série ne peuvent plus être représentés par le modèle à deux diodes. Il s‟agit alors de

résistance série « distribuée » dans le dispositif [Araujo86]. Elle n‟est plus modélisable par

une simple résistance en série avec les diodes. Cette résistance série distribuée peut non

seulement dégrader le FF des dispositifs, mais également diminuer le courant provenant des

zones éloignées du contact.

Une forte résistance série distribuée dans la cellule peut donc être responsable du

comportement inhabituel constaté sur les courbes J-V [Wolf63]. Dans notre cas, l‟émetteur a-

Si:H de type p est très résistif à cause de sa faible conductivité et son épaisseur réduite. Sous

illumination, un ΔV très important apparaît dans la zone non contactée. Cet aspect peut être

vérifié dans la simulation, comme le montre la Figure IV.17-a.


- 152 -

Figure IV.17. Influence de la fraction d’émetteur contactée sur (a) la différence de potentiel

ΔV; (b) le champ électrique latéral Ex ; (c) le taux de recombinaisons U. Ces valeurs sont

extraites à l’interface entre l’émetteur a-Si:H et le substrat c-Si de structures Si-HJ IBC

modélisées sous un éclairement AM1.5, à Vext = 0


- 153 -

La différence de potentiel augmente rapidement à proximité du contact (100 µm) puis

semble saturer. Un fort champ électrique latéral est donc induit dans ces 100 premiers

microns, puis le champ électrique décroît avec la distance au contact (Figure IV.17-b). Grâce

à ce champ électrique, à proximité du contact, les porteurs collectés dans la zone non

contactée peuvent être acheminés vers l‟électrode. À une plus grande distance du contact, le

champ électrique devient trop faible et les porteurs recombinent, comme le montre la Figure

IV.17-c.

Pour une FEm élevée (0.93), la quasi-totalité des porteurs collectés dans l‟émetteur sont

acheminés vers le contact sans pertes. Lorsque cette FEm diminue, les recombinaisons qui

apparaissent dans les zones non contactées font chuter la valeur de Jcc. Ces résultats peuvent

probablement expliquer les faibles valeurs de photocourant mesurées sur la Figure IV.13 entre

les zones d‟émetteur.

Pendant la mesure J-V sous éclairement, une tension extérieure (Vext) est imposée au

dispositif jusqu‟à atteindre le Vco. Cette tension directe réduit le ΔV et donc également le

champ électrique latéral dans les zones non contactées. L‟application d‟une tension directe

croissante au dispositif – comme c‟est le cas lors de la mesure J-V –, augmente donc les

phénomènes de recombinaisons dans ces zones. Ceci peut expliquer l‟allure des courbes J-V

obtenues, montrant une chute du courant croissante, dès les faibles tensions.

Pour conclure cette étude de modélisation, plusieurs aspects importants sont à

considérer dans l‟optimisation des cellules IBC Si-HJ :

Il apparaît d‟abord que la géométrie du contact sur le BSF joue un rôle limité et ce, quel

que soit le dopage du a-Si:H (n) utilisé. Il est donc possible de laisser une grande partie de

cette zone sans contact.

Le rôle du BSF étant de collecter les électrons (porteurs majoritaires), il peut être aidé

par le substrat pour remplir cette fonction.

L‟émetteur doit collecter les porteurs minoritaires sans l‟appui de la base c-Si. Si

l‟émetteur a-Si:H (p) est contacté localement, il doit être fortement dopé pour éviter les pertes

résistives, mais également les pertes en courant.

Un émetteur faiblement dopé, comme c‟est le cas expérimentalement pour nos couches

a-Si:H (p), doit être recouvert quasi-totalement par son contact.

Une mauvaise conception de l‟émetteur entraîne des pertes importantes à la fois sur la

valeur du Jcc mais également sur celle du FF des cellules Si-HJ IBC.


- 154 -

2.2 Fabrication de cellules à hétérojonctions silicium et contacts en

face arrière optimisées

Selon les résultats de modélisation montrés dans la partie précédente, il existe deux

moyens d‟améliorer les performances de nos cellules IBC Si-HJ. Le premier consiste à

augmenter le dopage et donc la conductivité de l‟émetteur. Comme nous l‟avons montré dans

le premier chapitre, ceci implique une augmentation du J0e et donc une chute du Vco des

dispositifs. La deuxième voie repose sur l‟augmentation de la fraction d‟émetteur contacté.

Expérimentalement, une plus grande valeur de FEm peut être obtenue en élargissant la zone de

contact. Ceci entraîne cependant un risque accru de court-circuiter le dispositif lors de l‟étape

de métallisation.

Un nouveau masque plus large est donc réalisé pour la métallisation de l‟émetteur. Il

permet une FEm de 0.79 contre 0.64 pour le masque utilisé précédemment. Avec cette nouvelle

valeur de FEm, il est possible de tester un contact plus large sur l‟émetteur sans trop augmenter

le risque de courts-circuits. À part ce paramètre, la géométrie des cellules IBC Si-HJ reste

inchangée par rapport aux dispositifs réalisés dans la première partie de ce chapitre. La Figure

IV.18 montre la courbe J-V sous éclairement AM1.5 de ce nouveau dispositif, ainsi que sa

pseudo courbe J-V.

Figure IV.18. Mesures J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ IBC utilisant un

émetteur de conductivité élevée (1.8x10-5

S.cm-1

[H]) pour deux valeurs de FEm

Conformément à nos attentes, les résultats obtenus avec les dispositifs Si-HJ IBC

utilisant une plus grande FEm sont meilleurs. Un rendement de 12.7% est atteint avec une FEm

de 0.79 contre 9.4% avec une FEm de 0.64. Ce résultat constitue, à notre connaissance, le


- 155 -

meilleur résultat obtenu par des cellules Si-HJ IBC sur substrat de type n. Ceci est dû avant

tout à l‟amélioration de la valeur de Jcc (+ 5.6 mA.cm-2

). Les recombinaisons dans les zones

non contactées ont donc effectivement un impact énorme sur le courant collecté.

Le FF est également légèrement amélioré, ce qui peut difficilement être attribué à la

valeur de FEm plus élevée. Les modélisations montrent en effet que le FF ne s‟améliore que

pour des valeurs supérieures à 0.79. Cette amélioration est donc probablement due à la largeur

plus importante de l‟électrode Al qui diminue la résistance série du dispositif.

La Vco, ainsi que le PFF, sont quant à eux inférieurs aux valeurs obtenues

précédemment. L‟augmentation de la largeur du contact engendre une probabilité de court-

circuit plus importante, ce qui pourrait expliquer une plus faible valeur de résistance parallèle

et donc un PFF plus faible. Une dégradation de la qualité des couches a-Si:H déposées, ou de

l‟interface a-Si:H / c-Si, explique probablement la Vco légèrement inférieure aux valeurs

précédentes.

Ces résultats confirment l‟importance de la conception de l‟émetteur pour les cellules

Si-HJ IBC. Le rendement obtenu dans ce travail est élevé par rapport aux autres réalisations

expérimentales sur substrat de type n. Cependant il reste très faible par rapport au rendement

théorique maximal des cellules Si-HJ IBC. Les dispositifs réalisés doivent encore être

améliorés, notamment au niveau de la valeur de FF. Pour cela, il est nécessaire d‟augmenter la

FEm ainsi que l‟épaisseur des métallisations.

CHAPITRE IV Conclusions

- 156 -

Conclusions du Chapitre IV

Ce dernier chapitre constitue l‟aboutissement des travaux effectués lors de cette thèse.

Des dispositifs Si-HJ IBC ont pu être fabriqués à l‟aide des différents procédés et

empilement développés dans les chapitres précédents. L‟influence de l‟utilisation de masques

métalliques dans le procédé de fabrication complet a été étudiée. Ces masques métalliques

provoquent des pertes en passivation de surface lors des dépôts a-Si:H. Ces pertes peuvent

être réduites par l‟ajout d‟une étape de nettoyage dans le procédé. D‟autre part, leur utilisation

peut être problématique lors des étapes de métallisation par pulvérisation. Des courts-circuits

apparaissent de manière aléatoire sur les dispositifs fabriqués, empêchant leur fonctionnement

optimal.

Malgré ces imperfections, des cellules Si-HJ IBC fonctionnelles ont pu être fabriquées

et caractérisées. L‟influence du dopage de l‟émetteur a été étudiée expérimentalement dans un

premier temps. Avec un faible dopage, un Vco de 648 mV a été obtenu, constituant un record

mondial pour des cellules Si-HJ IBC n‟utilisant pas de couche a-Si:H (i) tampon en face

arrière. Ce faible dopage provoque, comme pour les cellules à émetteur inversé, une courbe J-

V en « S ». Avec un dopage plus élevé, une valeur de Jcc plus élevée est obtenue. Pour les

deux valeurs de dopages testées, les courbes J-V ont une allure dégradée. Une chute du

courant apparaît dès les faibles tensions, caractéristique selon le modèle à deux diodes d‟une

faible valeur de résistance parallèle. Pourtant le PFF des cellules caractérisées est supérieur à

80 %, et les dispositifs ne sont pas court-circuités.

La compréhension de ces résultats a été possible grâce à la modélisation en deux

dimensions des dispositifs. Nous avons pu montrer qu‟un faible dopage de l‟émetteur et/ou

un contact trop réduit sur cet émetteur provoque un effet similaire. Une mauvaise conception

de l‟émetteur et de son contact peut, en effet, entraîner des pertes résistives « distribuées ».

Ces pertes provoquent dans un premier temps une chute du FF, puis une chute du Jcc. Des

phénomènes de recombinaisons dans les zones non contactées sont à l‟origine de ces pertes.

Enfin, une première optimisation des dispositifs Si-HJ IBC a été effectuée. Des

cellules de 25 cm2 ont atteint un rendement de 12.7 %. Ceci confirme la validité de nos

modélisations et constitue, à notre connaissance, la meilleure performance au niveau mondial

pour des cellules Si-HJ IBC sur substrat de type n. Ce rendement est toutefois limité par de

nombreux paramètres, liés à la géométrie des dispositifs expérimentaux.

- 157 -

CHAPITRE V : DISCUSSION SUR LES PARAMÈTRES

LIMITANTS

Malgré un rendement théorique potentiellement supérieur à 25%, les structures Si-HJ

IBC réalisées dans cette étude sont soumises à différentes limitations expérimentales. Ce

chapitre traite de ces limitations, d‟abord au niveau des empilements (a-Si:H / contact) pour

l’émetteur et le BSF. Différentes voies d‟amélioration des couches a-Si:H, ainsi que des

matériaux de contacts, sont envisagées.

Les moyens d‟améliorer la structure en face avant sont ensuite étudiés. Une

première partie est focalisée sur l‟amélioration de la face avant réalisée à basse température.

Une seconde partie envisage les possibilités de fabriquer cette face avant en utilisant des

étapes à haute température, comme des diffusions thermiques.

Enfin, différentes solutions sont envisagées pour optimiser la géométrie des cellules

Si-HJ IBC. Les différentes contraintes expérimentales rencontrées, ainsi que leurs effets, sont

analysés. Jusqu‟ici, les travaux effectués dans cette étude n‟ont concerné que les aspects 2D

des dispositifs Si-HJ IBC. Une partie de ce dernier chapitre est donc consacrée aux aspects

3D, à prendre en compte par la suite pour atteindre les hauts rendements.

CHAPITRE V 1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction silicium

- 158 -

1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction

silicium

L‟émetteur et le contact ohmique des cellules Si-HJ IBC doivent répondre à des

exigences spécifiques à cette structure. Leur amélioration est possible via l‟optimisation des

couches a-Si:H, mais également grâce à l‟utilisation de matériaux de contacts adaptés.

1.1 Couches a-Si:H

Dans notre étude, des couches a-Si:H dopées ont été utilisées pour la réalisation de

l‟émetteur et du BSF. Des valeurs de Vco de l‟ordre de 650 mV ont été obtenues sur certains

dispositifs Si-HJ IBC. Ces valeurs élevées sont permises par l‟utilisation de couches peu

dopées, donc moins recombinantes. En revanche, ces couches étant peu conductrices, des

pertes résistives peuvent apparaître, en particulier au niveau du contact. Une diminution plus

importante du dopage des couches a-Si:H est donc difficilement envisageable dans la mesure

où cela entraîne des pertes résistives supplémentaires.

Afin d‟améliorer le Vco sans provoquer de pertes résistives, l‟insertion d‟une couche a-

Si:H tampon entre le substrat c-Si et les couches dopées est nécessaire. Cette couche tampon

peut être constituée de a-Si:H [Ide08], pm-Si [Ribeyron06], ou encore a-SiOx:H [Mueller08],

non dopé. Des valeurs de Vco proches de 700 mV sont en effet obtenues sur des dispositifs Si-

HJ IBC utilisant une couche tampon constituée d‟a-Si:H (i) en face arrière [Lu07b] [Tucci08].

Dans ce cas, la couche (i) doit être optimisée différemment de celle utilisée en face avant des

cellules Si-HJ standard [Lu07b]. Cette différence pourrait être attribuée au fait qu‟en face

arrière, la couche (i) est dans l‟obscurité alors qu‟en face avant elle est éclairée. Or, la

conductivité du a-Si-H (i) dépend fortement de l‟éclairement. Une couche (i) adaptée pour la

face avant peut donc provoquer des pertes résistives si elle est utilisée en face arrière.

Des résultats de modélisation montrent que, dans le cas de l‟émetteur a-Si:H (p) utilisé

en face arrière, la couche tampon peut être optimisée de différentes manières [Lu08]. Deux

paramètres semblent en effet influencer les pertes résistives dues à la couche a-Si:H tampon:

son épaisseur et son énergie de gap. Selon ces résultats, une faible épaisseur et / ou une faible

énergie de gap de la couche tampon limiteraient les pertes résistives. Une mauvaise

optimisation de cette couche implique une faible valeur de FF sur les cellules Si-HJ IBC. Il

apparaît également qu‟un très léger dopage de la couche a-Si:H tampon peut améliorer sa

conduction, et donc limiter les pertes résistives occasionnées. Ce léger dopage provoque en

revanche une chute de la passivation de surface.

Au niveau expérimental, l‟insertion d‟une même couche tampon sous les zones a-Si:H

(n) et (p) constitue une option particulièrement intéressante (Figure V.1). En effet, le dépôt de


- 159 -

cette couche s‟effectuerait sans masque métallique et permettrait de protéger la surface arrière

avant la manipulation des masques.

Figure V.1. Structure schématique de dispositifs Si-HJ IBC avec une unique couche

tampon en face arrière

La détermination d‟une couche tampon de passivation adaptée à la fois à la couche (n)

et (p) constituerait donc une étude intéressante pour augmenter le Vco des cellules Si-HJ IBC.

Comme indiqué sur la Figure V.1, cette couche tampon ne permettrait probablement pas de se

passer de la couche de passivation dans le gap. En effet pour éviter les pertes résistives, la

couche tampon doit nécessairement être fine (≤ 5 nm). Avec une telle épaisseur, sa Seff est

probablement trop élevée pour l‟appliquer, seule, dans la zone de gap. Le dépôt d‟une couche

a-Si:H (i) supplémentaire est alors nécessaire pour diminuer cette Seff.

L‟insertion d‟une couche tampon permettrait donc d‟améliorer la passivation de

surface des empilements dans les zones émetteur et BSF. Un travail est également nécessaire

pour diminuer les pertes résistives dans les couches et au contact. Pour cela, la fabrication de

couches micro- ou nano-cristallines semble une option intéressante. Ces couches peuvent en

effet être obtenues soit par des conditions de dépôt adaptées (dilution H2 [Rostan06]) ou alors

après dépôt, par traitement LASER [Wu09]. Avec ces couches très conductrices, une plus

grande tolérance dans le choix du matériau de contact est théoriquement possible.

1.2 Matériaux de contact

Les contacts sur l‟émetteur et le BSF des cellules Si-HJ IBC sont localisés et ne

recouvrent donc pas toute la surface, au contraire des cellules Si-HJ standard. Ces contacts se

présentent sous la forme de peignes interdigités d‟environ 1 mm de large ou moins. Ceci

entraîne, pour les matériaux de contact utilisés, une double exigence pour ne pas causer de

pertes résistives. Ils doivent d‟abord limiter au maximum la résistivité spécifique du contact

avec le a-Si:H ( c). De plus, leur conductivité doit être assez élevée pour acheminer les

charges collectées jusqu‟aux busbars.


- 160 -

Il est possible d‟envisager la fabrication d‟une double couche pour réaliser ce contact.

La première couche (ou couche d‟ « accroche ») est optimisée pour limiter c et faciliter

l‟adhérence d‟une deuxième couche. Celle-ci permet l‟épaississement des métallisations

jusqu‟à obtenir une conduction suffisante, elle-même fonction de la géométrie du dispositif.

Cet épaississement est envisageable par sérigraphie, mais la méthode de recharge

électrolytique semble plus adaptée. Il s‟agit d‟un aspect critique pour diminuer la résistance

série des métallisations sur des cellules IBC de grande surface.

L‟influence de l‟épaisseur des métallisations sur la résistance série de cellules IBC est

visible sur la Figure V.2, pour différentes longueurs de cellules. Les modèles utilisés ici sont

les mêmes que dans le Chapitre III [Nichiporuk05].

Figure V.2. Influence de l’épaisseur de métal sur la résistance série modélisée des

métallisations d’une cellule Si-HJ IBC, en fonction de la taille des dispositifs

Ces résultats montrent que pour atteindre de hautes valeurs de FF (Rsérie ≤ 0.5

Ohm.cm2) sur des substrats de 12.5 cm de long, des métallisations épaisses de plus de 25 µm

sont nécessaires. Dans notre cas (cellules de 5 cm de long), il faudrait une épaisseur de 6 µm

au lieu des 3 µm utilisés jusqu‟à maintenant.

Expérimentalement, l‟utilisation d‟un même matériau de contact sur l‟émetteur et le

BSF devrait être privilégiée. Si les couches minces formant les zones dopées sont très

conductrices, cela doit être envisageable. En effet, dans ce cas le choix du matériau de contact

est théoriquement moins important que sur des zones peu dopées. Des précautions

particulières doivent cependant être prises dans le cas du a-Si:H (n) qui a tendance à réagir

plus facilement avec un contact métallique [Wang08] qu‟un matériau de type p.

CHAPITRE V 2. Structure de la face avant

- 161 -

2. Structure de la face avant

Dans notre étude, le dispositif Si-HJ IBC devait être entièrement réalisé à basse

température (≤ 200°C). Cette contrainte est utile pour apporter de la flexibilité dans l‟ordre

des étapes du procédé. La fabrication de la face avant peut alors théoriquement se faire

aléatoirement durant le procédé. Ceci permet également de limiter le budget thermique global.

L‟optimisation de la face avant vise à diminuer au maximum les recombinaisons de surface,

tout en améliorant la transmission effective du rayonnement incident dans le dispositif.

L‟empilement utilisé dans cette étude atteint une Seff de 25 cm.s-1

et une Teff de 85%. Ces

valeurs doivent être améliorées, éventuellement à l‟aide d‟étapes à haute température. En effet

avec une Seff de 5 cm.s-1

et une Teff de 95 %, la valeur de Jcc obtenue passerait théoriquement

de 33.4 mA.cm-2

à plus de 39 mA.cm-2

.

Comme nous l‟avons montré à l‟aide des simulations, la conduction latérale dans le

substrat est un paramètre influent sur le FF des cellules IBC. Elle dépend particulièrement de

l‟épaisseur et du dopage du substrat. Pour des substrats minces et / ou peu dopés, il est

également intéressant que la structure de la face avant améliore la conduction latérale du

substrat.

2.1 Face avant réalisée à basse température (≤ 200°C)

Nous avons montré dans le deuxième chapitre qu‟il est difficile d‟obtenir un matériau

a-SiNx:H, a-SiCx:H ou ITO, déposé à une température inférieure à 200°C, adapté à une

utilisation en face avant. Une étude plus approfondie serait bien entendu nécessaire, avec

d‟autres conditions de dépôts et d‟autres matériaux. Cependant, aucun matériau testé n‟a

permis d‟atteindre à la fois un confinement optique idéal et une passivation de surface

excellente. Dans nos travaux, l‟utilisation d‟une double couche a été privilégiée: un premier

matériau a-Si:H pour passiver la surface, et un second pour le confinement optique.

L‟épaisseur de la couche a-Si:H est alors soumise à un compromis entre son

absorption et ses propriétés de passivation de surface. Une épaisseur d‟environ 8 nm semble

être un minimum pour obtenir une faible valeur de Seff. L‟absorption dans cette couche est

loin d‟être négligeable et provoque une perte sur la valeur du Jcc supérieure à 1 mA.cm-2

. Pour

diminuer l‟absorption dans cette couche de passivation, il est possible d‟augmenter son

énergie de gap. Pour cela, l‟insertion d‟atomes d‟oxygène ou de carbone dans le a-Si:H peut

être envisagée [Mueller08]. L‟utilisation d‟oxyde d‟aluminium fabriqué par ALD (Atomic

Layer Deposition) est également une voie à explorer. Il s‟agit d‟un matériau très transparent

aux longueurs d‟ondes correspondant à la lumière visible. De plus, des couches de 7 nm

d‟Al2O3 déposées à 200°C permettent d‟obtenir des Seff de 5 cm.s-1

[Hoex06].

CHAPITRE V 2. Structure de la face avant

- 162 -

Afin d‟augmenter la conductivité latérale de la base, il est théoriquement possible

d‟utiliser une structure en face avant constituée d‟un empilement a-Si:H (n) / OTC. Cependant

cette structure se rapproche de celle utilisée sur les dispositifs Si-HJ standard, causant des

pertes par absorption dans les deux couches. Un OTC comme l‟ITO devient plus transparent

s‟il est moins conducteur [Damon-Lacoste07]. Par rapport à la structure standard, il est

possible dans le cas des IBC d‟utiliser un OTC moins conducteur. En effet, pour les IBC, une

résistance par carré de 150 Ohms par carré semble suffire. Cette valeur doit être inférieure à

50 Ohms par carré pour les Si-HJ standard. Ceci pourrait permettre de limiter les pertes par

absorption dans cette structure de face avant conductrice, réalisée à basse température.

2.2 Face avant réalisée à haute température (≥ 200°C)

La face avant des cellules IBC à homojonctions est typiquement constituée d‟un léger

dopage thermique recouvert d‟une couche de confinement optique. Cette structure possède

deux avantages, l‟un du point de vue des pertes en courant, l‟autre au niveau des pertes

résistives.

Le dopage thermique permet d‟abord de diminuer la contrainte sur la vitesse de

recombinaison de surface. L‟effet de champ induit par ce dopage diminue fortement la

probabilité que les porteurs recombinent en surface. La couche de confinement optique

utilisée peut donc être optimisée presque uniquement sur ses propriétés optiques. Ainsi pour

éviter toute perte par recombinaisons en face avant, une vitesse de recombinaison de surface

inférieure à 1000 cm.s-1

est nécessaire avec dopage thermique. Sans dopage thermique, cette

vitesse doit être fortement réduite, en deçà de 20 cm.s-1

, pour ne pas dégrader les

performances des cellules IBC [Granek08b].

Ensuite, ce dopage de surface, du même type que celui du substrat, permet

d‟augmenter sa conduction latérale. Contrairement à la structure à basse température utilisant

un OTC, cette augmentation ne se fait pas au détriment des propriétés optiques de la face

avant. En effet la zone dopée est ici quasi-transparente, grâce à son pic de dopage à 5x1018

cm-3

et une profondeur de jonction de 1.4 µm. Ce genre de profil « léger » provoque peu de

recombinaisons additionnelles dans le substrat c-Si.

Pour toutes ces raisons, il est intéressant d‟envisager la fabrication de la structure en

face avant à l‟aide d‟étapes à haute température. Une simple diffusion n+ au début du procédé,

limitée à la face avant, pourrait à la fois améliorer la conductivité du substrat et diminuer la

contrainte sur la vitesse de recombinaison en surface. Ces améliorations peuvent être

effectuées sans dégrader les propriétés optiques de la structure en face avant. Par exemple,

une Teff supérieure à 93 % peut être obtenue à l‟aide d‟un procédé haute température avec une

surface texturée [McIntosh03].

CHAPITRE V 3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication

- 163 -

3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication

La géométrie du dispositif et son procédé de fabrication sont intimement liés. La

géométrie des cellules Si-HJ IBC fabriquées dans cette étude doit être à la fois optimisée et

simplifiée afin de réduire le nombre d‟étapes de fabrication. Ces optimisations sont soumises

à certaines contraintes expérimentales qui doivent être discutées. De plus, notre étude s‟est

focalisée sur les aspects 2D du fonctionnement des dispositifs IBC. Les aspects 3D, comme

l‟influence des busbars ou des bords de la cellule, ne doivent cependant pas être négligés. Ils

prennent en effet une importance croissante lorsqu‟on s‟approche des hauts rendements.

3.1 Contraintes expérimentales et optimisation de la géométrie

En utilisant notre procédé de fabrication, plusieurs contraintes sont à prendre en

compte pour optimiser la géométrie du dispositif:

Des tolérances existent entre les différents alignements. Elles dépendent des procédés

de localisation et de dépôt utilisés. Plus la valeur de tolérance est faible, plus le dispositif peut

atteindre les hauts rendements.

Plus la géométrie de la face arrière est complexe, plus elle nécessite d‟étapes de

localisation. À chaque localisation est ajoutée une tolérance, ce qui augmente la largeur du

dispositif unitaire et peut réduire ses performances.

L‟émetteur doit être recouvert quasi totalement par son électrode de contact pour éviter

les pertes dans les zones non contactées. Cet aspect est primordial pour atteindre de hautes

valeurs de FF, mais aussi de Jcc.

Toutes les couches a-Si:H sont déposées par PECVD en premier. Le dépôt des contacts

(Al, ITO) est effectué ensuite pour éviter d‟introduire des contaminants dans la chambre

PECVD. Des simplifications du procédé seraient possibles en ayant la possibilité de déposer

des contacts avant le dépôt de toutes les couches a-Si:H.

Les étapes de dépôt des contacts sont cruciales car elles peuvent entraîner des courts-

circuits sur les dispositifs. Le procédé de métallisation doit donc être totalement fiable et

reproductible.

Le Tableau 24 résume les différents aspects de la structure, avec leur influence sur les

paramètres électriques des dispositifs Si-HJ IBC. Les tendances décrites correspondent à une

augmentation de la valeur du paramètre géométrique considéré.


- 164 -

Tableau 24. Influence des aspects géométriques sur les paramètres électriques des

cellules Si-HJ IBC

Paramètres géométriques

Paramètres électriques

Vco Jcc FF

Tolérance entre les dépôts ≈ ↓ ↓

Largeur de l‟émetteur ↓ ↑ ↓

Largeur non contactée de l‟émetteur ≈ ↓↓ ↓↓

Largeur du BSF ≈ ↓ ↓

Largeur non contactée du BSF ≈ ≈ ↓

Épaisseur des métallisations ≈ ≈ ↑

Largeur du Gap ≈ ↓ ↓

Seff en face avant ↓ ↓↓ ≈

Teff en face avant ≈ ↓ ≈

Épaisseur du substrat ↑ ↓ ↓

Épaisseur couche tampon en face arrière ↑↑ ↑ ↓

Une première simplification de la géométrie consisterait à supprimer la couche a-Si:H

(i) dans le gap. En effet la conductivité des couches a-Si:H dopées est beaucoup plus faible

que celle des zones c-Si dopées. Sur les structures Si-HJ IBC, il est donc envisageable de

mettre en contact les zones a-Si:H formant l‟émetteur et le BSF [Lu07b]. Le dispositif unitaire

ainsi obtenu est schématisé sur la Figure V.3. Il permettrait à la fois la réduction du nombre

d‟étapes de procédé et le recouvrement quasi-total de l‟émetteur a-Si:H (p).

Figure V.3. Structure schématique de dispositifs Si-HJ IBC sans séparation (gap) entre

l’émetteur et le BSF a-Si:H en face arrière


- 165 -

Plusieurs aspects sont à étudier pour valider la faisabilité de cette structure. Le premier

aspect consiste à assurer la stricte localisation du contact de l‟émetteur. En effet sur ces

cellules le contact de l‟émetteur se trouve à proximité immédiate de la zone de BSF. Or si le

contact entre a-Si:H (n) et a-Si:H (p) peut être sans conséquence, celui entre la métallisation

de l‟émetteur et le a-Si:H (n) doit être absolument évité. L‟autre point important à étudier est

le comportement de la partie d‟émetteur a-Si:H (p) recouvrant le BSF a-Si:H (n). Il faudrait

évaluer à l‟aide de modélisations, mais également au niveau expérimental, si des

recombinaisons non désirées peuvent apparaître dans cette zone.

D‟autres manières de simplifier la géométrie de la structure, ainsi que son procédé de

fabrication, ont été proposées dans d‟autres travaux. La première est permise par des étapes de

gravure sèche à travers un masque métallique [Tucci07]. La deuxième consiste à utiliser la

métallisation d‟une première zone comme masque pour la localisation de la deuxième zone

[Stangl07]. Ces options très intéressantes mériteraient également d‟être étudiées par la suite.

3.2 Problématiques 3D

Dans notre étude, les pertes attribuées aux aspects 2D ont été clairement identifiées. Il s‟agit

des recombinaisons en surface et en volume, de pertes optiques par réflexion en face avant et

en face arrière, ainsi que des recombinaisons dans l‟émetteur si sa conception n‟est pas

optimisée. À ces limitations s‟ajoutent également deux autres sources de pertes, dues aux

aspects de la géométrie non pris en compte dans la structure unitaire 2D. Des pertes peuvent

en effet apparaître dans les zones de busbars, ainsi que des bords des cellules, où la géométrie

n‟est pas comparable à celle de la structure unitaire.

3.2.1 Zones de busbar

Les cartographies de courant photogénéré (LBIC) effectuées sur nos dispositifs Si-HJ

IBC montrent que la zone formée par le busbar du BSF est inactive (Chapitre IV). Les

porteurs excités au dessus de cette zone ont en effet une distance trop importante à parcourir

avant d‟atteindre l‟émetteur. Ils recombinent donc avant de pouvoir être collectés. Cet aspect

se retrouve dans d‟autres études [Hermle08], et implique la nécessité de réduire au maximum

la largeur de ce busbar.

En ce qui concerne le busbar de l‟émetteur, il s‟agit d‟une zone qui collecte

parfaitement les porteurs minoritaires. En revanche ici la conduction des porteurs majoritaires

peut poser problème pour une grande largeur du busbar. Des pertes au niveau du FF de la

cellule peuvent alors apparaître. L‟utilisation d‟un substrat très dopé permettrait de limiter les

pertes occasionnées par un busbar trop large [Hermle08]


- 166 -

3.2.2 Recombinaisons sur les bords des cellules

Les recombinaisons sur les bords des cellules ont une influence d‟autant plus grande

que celles-ci sont de taille réduite. Par exemple, pour des dispositifs IBC à homojonctions de

4 cm2, les pertes dues à ce phénomène entraînent une chute du rendement de 1.5% absolu

[Verlinden97]. Pour une surface de 25 cm2, ces recombinaisons jouent un rôle moins grand,

mais sont loin d‟être négligeables. Dans notre cas, un procédé de gravure LASER est utilisé

pour amorcer le clivage des cellules. La Figure V.4 montre les défauts qui apparaissent après

ce clivage. La surface du c-Si ainsi que les couches a-Si:H se situant à proximité de la gravure

LASER apparaissent dégradées.

Figure V.4. Photographie des bords d’une cellule Si-HJ IBC expérimentale, après clivage

Il existe quatre possibilités pour réduire les pertes par recombinaisons sur les bords des

cellules IBC [Verlinden97]:

1. Passiver la surface du c-Si sur les bords du dispositif

2. Provoquer l‟ombrage des bords de la cellule lors de la mise en module

3. Réduire la concentration de porteurs sur les bords par une géométrie appropriée

ou par l‟usage d‟un substrat très dopé

4. Augmenter la taille des cellules pour que ces recombinaisons soient négligeables

La première solution semble difficile à mettre en œuvre, et la seconde implique une

perte de surface active au niveau du substrat c-Si. La troisième possibilité nécessite une étude

approfondie à l‟aide de modélisations. La fabrication de dispositifs de grande taille semble

être la méthode la plus simple pour limiter ces pertes. Ceci doit être envisagé pour atteindre

les très hauts rendements avec des dispositifs Si-HJ IBC.

CHAPITRE V Conclusions

- 167 -

Conclusions du Chapitre V

Ce cinquième chapitre a permis de mettre en avant les principales limitations

expérimentales des cellules IBC Si-HJ. Ces limitations dépendent de la géométrie choisie en

face arrière, mais également de la structure de la face avant.

L’insertion d’une couche a-Si:H tampon entre le substrat c-Si et les couches dopées

apparaît nécessaire pour atteindre des hautes valeurs de Vco. Des études sur la possibilité

d‟utiliser cette couche, sous un émetteur a-Si:H (p) situé en face arrière, sont envisageables.

Ensuite, il faut déterminer si une même couche tampon peut être utilisée à la fois sous les

couches a-Si:H (p) et a-Si:H (n). Cette couche tampon pourrait alors être déposée en face

arrière avant toute étape de localisation.

Afin de limiter les pertes en Jcc, une amélioration de la structure en face avant est

primordiale. L‟utilisation d‟un matériau comme l‟Al2O3 constitue une alternative intéressante

au a-Si:H comme couche mince de passivation. Il serait également intéressant d‟utiliser un

léger dopage thermique en face avant, réalisé à haute température. Ceci permettrait d‟utiliser

une seule couche anti-reflet, optimisée pour ses propriétés optiques plus que pour sa capacité

à passiver la surface. Ce dopage thermique pourrait également améliorer la conduction

latérale des substrats c-Si minces.

Enfin, la géométrie de la face arrière doit être optimisée et simplifiée. Ces

optimisations doivent permettre principalement :

1. Un contact recouvrant la quasi-totalité de l‟émetteur

2. Un nombre limité d‟étapes de fabrication

3. La possibilité de fabriquer des cellules de grande taille

Une structure Si-HJ IBC sans couche de passivation dans le gap a été proposée.

Elle répond aux critères évoqués ci-dessus et permettrait probablement d‟améliorer les

performances obtenues. Des incertitudes existent cependant sur son fonctionnement réel,

nécessitant des études expérimentales et de modélisation.

CONCLUSION GÉNÉRALE

- 168 -


- 169 -


Ces travaux ont permis de développer un procédé de fabrication de cellules PV à

hétérojonctions silicium et contacts en face arrière. Avant cette étude, un savoir-faire

important existait sur les cellules à hétérojonction ainsi que sur les structures à contacts en

face arrière. Nous nous sommes basés sur ce savoir-faire pour développer un dispositif

nouveau combinant les deux technologies sur des substrats c-Si de type n. Ce développement

s‟est effectué dans le cadre du projet ANR QCPASSI dont le plan de travail nous a guidé dans

l‟organisation des recherches. La structure de ce projet a en effet influencé la méthodologie

utilisée pour développer les cellules Si-HJ IBC dans ces travaux. Nous avons d‟abord réalisé

des émetteurs et contacts ohmiques adaptés à la face arrière de cellules Si-HJ. Ensuite, des

études spécifiques à la géométrie de la face avant, puis de la face arrière ont été menées.

Enfin, des dispositifs Si-HJ IBC fonctionnels ont pu être fabriqués, caractérisés, et optimisés à

l‟aide de modélisations 2D.

1. Émetteurs et contacts ohmiques

Différents empilements (a-Si:H dopé / matériau de contact) ont été étudiés pour être

appliqués comme émetteur ou BSF des cellules Si-HJ IBC. La recherche d‟un compromis

entre propriétés de passivation et propriétés de conduction semble devoir guider

l‟optimisation des couches a-Si:H dopées. Dans le cas du a-Si:H (p), plus la couche est

conductrice, plus son J0e augmente. Des cellules à émetteur inversé ont pu être fabriquées

pour optimiser l‟empilement formant l‟émetteur. Un matériau a-Si:H (p) de conductivité

supérieure à 1x10-5

S.cm-1

permet de limiter les pertes résistives dans l‟émetteur ainsi qu‟au

niveau du contact. L‟utilisation d‟un matériau de conductivité plus faible provoque

l‟augmentation de ces pertes résistives. Avec un émetteur a-Si:H (p) moins conducteur (1x10-6

S.cm-1

), l‟influence du matériau de contact est accrue. Les meilleures valeurs de FF sont alors

obtenues en utilisant un métal possédant une haute valeur de travail de sortie (Pd, υ = 5.1 eV).

Cependant d‟autres paramètres peuvent jouer un rôle important sur la qualité du contact,

comme la structure électronique du métal, la qualité de l‟interface métal/semi-conducteur, ou

son mode de dépôt.

Les empilements développés pour l‟émetteur et le BSF dans cette étude n‟utilisent pas

de couche tampon entre le couche a-Si:H dopée et le substrat c-Si. Cette option sans couche

tampon, inspirée de travaux allemands [Korte07] et justifiée par d‟autres [Lu08], apparaît

limitée. En effet, la diminution du J0e n‟est possible, dans ce cas, que par l‟utilisation de

couches très peu dopées. Il est alors nécessaire de réduire leur épaisseur au maximum et

d‟utiliser un contact adapté pour limiter les pertes résistives. Malgré ces solutions, les couches


- 170 -

peu conductrices entraînent une résistance série élevée au niveau des dispositifs. L‟autre

option, celle utilisant la couche tampon, doit donc être envisagée. Pour être applicable aux

cellules Si-HJ IBC, cette couche tampon doit pouvoir fonctionner sous un émetteur en face

arrière (sans éclairement). Sur ces structures, il serait également intéressant de pouvoir utiliser

la même couche sous l‟émetteur et le BSF. Ceci permettrait la protection de la face arrière,

avant les étapes de localisation.

L‟insertion d‟une couche tampon permettrait également d‟utiliser des couches a-Si:H

dopées plus conductrices. Une plus forte conductivité peut être obtenue, par exemple, en

augmentant la fraction cristalline des couches a-Si:H. Ces meilleures propriétés de conduction

limiteraient les pertes résistives dans les couches mais également au contact. Un même

matériau de contact pourrait alors éventuellement être utilisé sur les couches dopées (n) et (p).

2. Structure de la face avant

L‟obtention d‟une simple couche anti-reflet de passivation à une température

inférieure à 200°C semble difficile. Les couches a-SiNx:H, a-SiCx:H et ITO étudiées ne

permettent pas d‟atteindre des vitesses effectives de recombinaisons de surface (Seff) assez

faibles pour une utilisation en face avant de nos cellules Si-HJ IBC. Certaines de ces couches

peuvent être cependant utilisées comme couche de confinement optique. L‟insertion d‟une

fine couche a-Si:H de passivation entre le substrat c-Si et cette couche de confinement optique

est alors nécessaire. L‟épaisseur des couches a-Si:H de passivation joue un rôle clé dans

l‟optimisation de cette structure en face avant. En effet deux paramètres augmentent avec

l‟épaisseur de a-Si:H: la Seff et l‟absorption. Ces deux paramètres ayant une influence opposée

sur la valeur du courant collecté dans le dispositif, il existe une épaisseur optimale de la

couche a-Si:H. Le meilleur compromis est atteint pour une épaisseur de a-Si:H proche de 8

nm.

L‟utilisation d‟une couche légèrement dopée (n) a été favorisée par rapport à une

couche purement intrinsèque (i). En effet, la première permet de passiver efficacement la

surface même à faible injection grâce au mécanisme d‟effet de champ, ce dont est incapable la

couche (i). Cette caractéristique est particulièrement importante car en utilisation réelle, les

cellules photovoltaïques sont souvent soumises à un éclairement d‟intensité inférieure à celle

du spectre AM1.5. Il est donc préférable d‟utiliser en face avant un matériau permettant une

Seff aussi bonne, voire meilleure, à faible injection que sous éclairement AM1.5.

Pour améliorer les propriétés de l‟empilement (couche mince de passivation / couche

de confinement optique), l‟utilisation d‟un matériau différent du a-Si:H doit être envisagée.

L‟oxyde d‟aluminium déposé par ALD rassemble les qualités nécessaires, à savoir une faible

absorption et une excellente passivation de surface. Pour se passer de la couche mince de


- 171 -

passivation, des étapes à haute température sont envisageables. La réalisation d‟un léger

dopage thermique en face avant permettrait, par exemple, d‟utiliser une couche anti-reflet

optimisée uniquement sur ses propriétés optiques, et non pas sur sa Seff.

3. Procédés de localisation en face arrière

Différents procédés de localisation ont été étudiés pour localiser les empilements en

face arrière. Les méthodes testées, basées sur l‟utilisation de gravures LASER ou de pâtes

sérigraphiées, n‟ont pas permis d‟obtenir une précision et une propreté suffisante pour

localiser les couches a-Si:H. Un procédé de métallisation basé sur la sérigraphie de pâte

masquante, suivie d‟un polissage mécanique, a cependant été développé avec succès. Il

permet de métalliser en une seule fois, mais avec un même matériau, les zones d‟émetteur et

de BSF

Un procédé complet a été développé pour la fabrication des dispositifs Si-HJ IBC. Il

est basé sur l‟utilisation de masques métalliques structurés, alignés mécaniquement. Ce

procédé est adapté à la localisation de couches a-Si:H minces par PECVD car il ne dégrade

que légèrement les propriétés des couches déposées. Il permet de plus une tolérance d‟environ

100 µm entre les dépôts a-Si:H (PECVD) et 150 µm pour les dépôts d‟ITO et métal

(pulvérisation). Son utilisation pour structurer des couches déposées par pulvérisation a

cependant montré certaines limites, comme des phénomènes de dépôts non-conformes.

4. Dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts

interdigités en face arrière

Des démonstrateurs de cellules Si-HJ IBC fonctionnels ont pu être fabriqués et

caractérisés. L‟influence de la géométrie de l‟émetteur (conductivité et largeur du contact) a

été étudiée expérimentalement. Des modélisations en deux dimensions menées sur le logiciel

ATLAS nous ont alors permis de comprendre puis d‟améliorer nos résultats expérimentaux.

L‟allure dégradée des courbes J-V sous éclairement obtenues par nos dispositifs Si-HJ IBC a

ainsi pu être expliquée. Dans notre cas, la chute du courant, qui apparaît dès les faibles

tensions, ne s‟explique pas par des phénomènes de courts-circuits. Selon le modèle à deux

diodes, ces phénomènes sont pourtant révélateurs d‟une faible valeur de résistance parallèle.

Un faible dopage de l‟émetteur et/ou une faible largeur du contact sur cet émetteur

peuvent provoquer cette allure dégradée des courbes J-V. Une mauvaise conception de

l‟émetteur et de son contact peut en effet entraîner des pertes résistives « distribuées ». Des

phénomènes de recombinaison dans les zones non contactées sont à l‟origine provoquent alors

dans un premier temps une chute du FF, puis une chute du Jcc. Dans le cas d‟un émetteur peu


- 172 -

conducteur (1x10-5

S.cm-1

), il est donc absolument nécessaire que le contact recouvre quasi-

totalement la couche a-Si:H (p). Si une portion importante de cet émetteur n‟est pas contactée,

le dispositif ne peut pas fonctionner correctement, son rendement est donc limité.

Une première optimisation des dispositifs Si-HJ IBC a été effectuée en fonction de ces

résultats. Des cellules de 25 cm2 ont atteint un rendement de 12.7 %. Ceci constitue, à notre

connaissance, la meilleure performance au niveau mondial pour des cellules Si-HJ IBC sur

substrat de type n. La faisabilité de tels dispositifs, ainsi que leur intérêt pour atteindre les

hauts rendements, ont donc été démontrés.

5. Perspectives

De nombreuses améliorations sont encore à mener, au niveau de la géométrie de la

structure et de son procédé de fabrication. Pour résumer, les différents points clés pour

augmenter le rendement des cellules Si-HJ IBC sont les suivants :

La conception de la face arrière doit être optimisée afin de permettre le recouvrement

quasi-total de la zone d‟émetteur a-Si:H (p).

Une couche tampon doit être insérée en face arrière afin d‟augmenter le Vco des

dispositifs. C‟est seulement par ce biais que les dispositifs Si-HJ IBC pourront dépasser les

performances de leurs « concurrents » à homojonctions.

La structure en face avant doit être optimisée du point de vue de ses propriétés

optiques et passivantes. Des étapes à haute température, comme un dopage thermique,

peuvent être envisagées au début du procédé de fabrication.

L‟augmentation de la taille des cellules est nécessaire, à la fois pour limiter les effets

de bord et pour se rapprocher des standards industriels. Dans cette optique, des métallisations

épaisses (30 µm) doivent pouvoir être réalisées.

La géométrie doit être simplifiée pour se rapprocher d‟un procédé de fabrication

industrialisable. Une structure n‟utilisant pas de couche de passivation dans le gap est

envisageable, mettant en contact les zones a-Si:H (n) et (p).

Ce travail a permis d‟identifier la plupart des verrous technologiques liés à la

fabrication des cellules Si-HJ IBC. Certains des verrous les plus limitants ont pu être levés, en

alliant résultats expérimentaux et modélisations. La poursuite de l‟étude devra concilier

l‟augmentation du rendement des cellules Si-HJ IBC avec un procédé de fabrication

progressivement industrialisable.

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PUBLICATIONS DE L’AUTEUR

1. Communications scientifiques en rapport avec la thèse:

1.1 Publications dans des revues à comité de lecture

Desrues T, Ribeyron PJ, Diouf D, Kleider JP. Development of 25 cm2 Interdigitated

Back Contact a-Si:H / c-Si heterojunction solar cells on n-type single-crystalline silicon.

Progress in Photovoltaics: Research and Applications, soumise le 31 Juillet 2009

Desrues T, Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Ozanne AS, Souche F, Munoz D, Denis C,

Diouf D, Kleider JP. B-Doped a-Si:H contact improvement on silicon heterojunctions

solar cells and interdigitated back contact structure. À paraître dans Physica Status Solidi

(c) „current topics in solid state physics’, 2009

Munoz D, Desrues T, Ribeyron PJ, Orpella A, Martin I, Voz C, Alcubilla R.

Development of LASER fired contacts on silicon heterojunction solar cells for the

application to rear contact structures. À paraître dans Physica Status Solidi (c) „current

topics in solid state physics’, 2009

Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Effects of the front surface field in n-

type interdigitated back contact silicon heterojunctions solar cells. Acceptée dans Physics

Procedia, 2009

Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Study of interdigitated back contact

silicon heterojunctions solar cells by two-dimensional numerical simulations. Materials

Science and Engineering: B, volume 159-160, pages 291-294, 2009

1.2 Actes de conférences internationales

Desrues T, Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Ozanne AS, Munoz D, Souche F, Denis C,

Heslinga D, Diouf D, Kleider JP. Progress in contacting a-Si:H/c-Si heterojunction solar

cells and its application to interdigitated back contact structure. Proceedings of the 24th

European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2009

Munoz D, Ozanne AS, Vandeneynde A, Souche F, Denis C, Desrues T, Ribeyron PJ.

Progress in scaling-up silicon heterojunction solar cells: 16% efficiency obtained on 125

PS monocrystalline silicon. Conference records of the 34th


Conference, Philadelphia, USA, 2009

Desrues T, Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Ozanne AS, Souche F, Veschetti Y,

Bettinelli A, Roca i Cabarrocas P, Labrune M, Diouf D, Kleider JP, Lemiti M. New process

integration for Interdigitated Back Contact (IBC) a-Si:H/c-Si heterojunctions solar cells.

Proceedings of the 23rd

European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne,

pages 1673-1676, 2008

PUBLICATIONS DE L’AUTEUR

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Ribeyron PJ, Desrues T, Vandeneynde A, Souche F, Ozanne AS, Labrune M, Roca i

Cabarrocas P, Chouffot R , Kleider JP. Silicon heterojunction solar cells: surface

passivation quality on large area n type and p type monocrystalline silicon. Proceedings

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European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne, pages 1441-

1444, 2008

Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Interdigitated back contact a-Si:H/c-

Si heterojunction solar cells modelling: limiting parameters influence on device

efficiency. Proceedings of the 23rd


Valencia, Espagne, pages 1949-1952, 2008

Ribeyron PJ, Baclet N, Boucher H, Desrues T, Vandeneynde A, Souche F, Ozanne

AS. Development of ZnO:Al to replace Indium Tin Oxyde for heterojunction solar cells :

effect on surface passivation quality and short circuit current. Proceedings of the 23rd

European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne, pages 1449-1452, 2008

1.3 Présentations orales lors de conférences internationales

Desrues T. B-Doped a-Si:H contact improvement on silicon heterojunctions solar

cells and interdigitated back contact structure. 23rd

International Conference on

Amorphous and Nanocrystalline Semiconductors, Utrecht, Pays-Bas, 2009

1.4 Brevets

Bettinelli A, Desrues T. Dispositif photovoltaïque à structure à hétérojonctions

interdigitée discontinue. Demande de brevet FR2914501, 2007

2. Autres communications scientifiques

Jourdan J, Veschetti Y, Dubois S, Desrues T, Monna R. Formation of boron-doped

region using spin-on dopant: Investigation on the impact of metallic impurities. Progress

in Photovoltaics: Research and Applications, volume 16, pages 379–387, 2008

Veschetti Y, Chevalier I, Desrues T, Bettinelli A, Monna R. Fabrication of

interdigitated back contact solar cells on large area with screen printed metallization.



pages 1179-1182, 2007

Desrues T, Jourdan J, Veschetti Y, Monna R. N-type Si solar cells with B-doped

emitter using spin-on dopants (SOD). Proceedings of the 22nd


Energy Conference, Milano, Italie, pages 1209-1212, 2007

Résumé général

Cette thèse explore une nouvelle voie pour améliorer le rendement des cellules solaires à

base de silicium cristallin. Cette nouvelle approche utilise la technologie des hétérojonctions

a-Si:H / c-Si (Si-HJ) appliquée sur des structures à contacts en face arrière interdigités (IBC).

Les dispositifs combinant ces deux technologies (Si-HJ IBC) peuvent théoriquement atteindre

des rendements supérieurs à 25 % avec un procédé entièrement à basse température (≤

200°C). Dans cette étude, les cellules solaires sont fabriquées sur des substrats c-Si de type n

de 25 cm2. Les procédés de fabrication utilisés sont potentiellement adaptés à une

industrialisation (PECVD, pulvérisation, sérigraphie, LASER, masques métalliques). Des

couches a-Si:H ultra-minces (entre 5 et 30 nm) dopées sont utilisées pour réaliser les zones

d‟émetteur et de BSF en face arrière des cellules solaires. Des matériaux a-Si:H, a-SiNx:H, a-

SiCx:H et ITO sont également étudiés pour des applications comme couches de passivation et

/ ou anti-reflet. Pour fabriquer les cellules Si-HJ IBC, différentes couches sont localisées à

l‟aide de masques métalliques structurés et alignés mécaniquement.

Le plus haut rendement atteint par les dispositifs Si-HJ IBC réalisés atteint ici 12.7%. Il

s‟agit, à notre connaissance, du meilleur résultat obtenu au niveau mondial par ce genre de

structures sur du c-Si de type n. Les performances des dispositifs expérimentaux restent

principalement limitées par une faible valeur de FF. Des modélisations 2D des structures Si-

HJ IBC montrent que la conception de l‟émetteur et de son contact en face arrière peut

entraîner des limitations à la fois sur ce FF mais également sur le Jcc. Ces phénomènes

peuvent être attribués à une résistance série « distribuée » importante sur les cellules Si-HJ

IBC. Différentes perspectives d‟amélioration sont proposées, au niveau de la géométrie de la

structure principalement. Ces optimisations devraient permettre à la fois une simplification

des cellules Si-HJ IBC ainsi que l‟augmentation de leur rendement.

Abstract

This thesis explores a new way to enhance the efficiency of solar cells based on

crystalline silicon. This new approach uses a-Si:H / c-Si heterojunctions (Si-HJ) technology

applied on Interdigitated Back Contact (IBC) structures. Devices combining both technologies

can theoretically reach more than 25 % efficiency using a low temperature (≤ 200°C)

fabrication process. In this study, solar cells are fabricated on 25 cm2 n-type c-Si substrates.

The fabrication processes which are used are potentially suitable with industrialization

(PECVD, sputtering, screen-printing, LASER, metallic masks). Ultra-thin (between 5 and 30

nm) doped a-Si:H layers are used to fabricate both emitter and BSF regions at the rear of the

solar cells. Different a-Si:H, a-SiNx:H, a-SiCx:H and ITO materials are also studied to be

applied as passivating and / or anti-reflective coatings. To fabricate Si-HJ IBC solar cells,

different layers are localized through the use of patterned metallic masks which are

mechanically aligned.

The highest efficiency obtained by Si-HJ IBC devices reach here 12.7% efficiency. This

is to our knowledge the best result worldwide on n-type c-Si for this structure. The

performances of experimental devices are mainly limited by a low FF value. 2D-modelling of

Si-HJ IBC shows that the rear emitter and contact design can lead to some limitations on the

FF, but also on the Jsc values. This phenomenon can be attributed to a large “distributed”

series resistance in the Si-HJ IBC cells. Different ways to enhance the cell geometry are

proposed, as well as a simplified fabrication process. These optimizations should help to

obtain Si-HJ IBC solar cells with higher efficiency.

développement de cellules photovoltaïques à

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